Материаловед

Большинство известных схем магнитно-абразивного полирования предполагает использование в качестве режущего инструмента порошков, зерна которых обладают магнитными и абразивными свойствами [20, 28, 29, 33, 51 – 53, 57]. Многие известные ферромагнитные материалы имеют достаточно большую твердость, чтобы самостоятельно осуществлять абразивное резание металлов. Для целей магнитно-абразивного полирования различными авторами были использованы ферробор, ферровольфрам, бористый чугун, крошка белого чугуна, стальные закаленные иглы [16]. В некоторых схемах предлагается использовать в качестве ферромагнитных абразивных порошков механические смеси абразивных и магнитных материалов. Причем в качестве абразивной составляющей предлагают использовать корунд, карбид бора, карбид кремния, окись алюминия, алмазный порошок, а в качестве ферромагнитной составляющей – железные и стальные опилки, сплав «альнико», бариевые ферриты, сплав Mg-Bi. Механические смеси обладают высокими абразивными свойствами, однако в присутствии магнитного поля они постепенно разделяются на составляющие. Особенно заметно это может сказаться в тех схемах процесса, где порция порошка должна использоваться длительно и многократно. Хорошими абразивными свойствами, но с гораздо меньшей склонностью к разделению абразивной и ферромагнитной составляющих, обладают материалы, специально разработанные для целей магнитно-абразивного полирования. К ним относятся керметы, получаемые прессованием и спеканием абразивной и ферромагнитной составляющих. Аналогичные материалы могут быть получены склеиванием  составляющих с помощью эпоксидной смолы [28]. М Хершлер предлагает в качестве режущих элементов использовать постоянные магнитики, на поверхности которых напылением или другим способом нанесен слой абразива [14].

П.И. Ящерицын и Ф.Ю. Сакулевич [120] утверждают, что МАП цветных металлов и сплавов дает лучшие результаты при использовании композиционных ферромагнитных абразивных материалов на основе сплава железо-кремний фосфор-углевод, получаемых распылением расплавов. Подбором состава шихты и режимов процесса изготовления представляется возможным получать порошки с оптимальной структурой гранул – ферромагнитная сердцевина покрыта абразивной оболочкой. При этом можно обеспечивать и заданную геометрическую форму гранул в диапазоне от удлиненной осколочной до близкой к сферической.

Известные сегодня магнитно-абразивные материалы (МАМ) далеко не всегда удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по режущей способности, стойкости, технологичности и стоимости. Сами требования еще четко не сформулированы. Сложившаяся ситуация с МАМ затрудняет централизованное их производство, без которого невозможно широкое применение прогрессивного метода.

Сформировать необходимые свойства МАМ можно, только представив условия и специфику их работы.

Порция магнитно-абразивного порошка при включенном магнитном поле удерживается силами магнитного поля в рабочем пространстве, оказывается прижатой к обрабатываемой поверхности и при движении заготовки относительно индуктора (или наоборот) осуществляет полирование. При этом удаляется припуск и формируется поверхность с новым микрорельефом и измененными физико-химическими свойствами поверхностного слоя.

На каждое ферромагнитное зерно порошковой массы, помещенной в магнитное поле, со стороны магнитного поля действует сила, которую с некоторыми упрощающими допущениями можно выразить формулой (1.1) [17]

(1.1)

Согласно формуле, величина этой силы и соответственно производительность абразивного процесса зависят от объема (V) магнитной массы зерна, величины магнитной индукции (В) в данной точке рабочего пространства и градиента магнитной индукции (grad В) в этой же точке. При этом  определяет величину тангенциальной составляющей силы резания и величину действительной скорости резания.

Нормальная составляющая силы резания, от которой зависит глубина внедрения зерен в обрабатываемый материал, может формироваться по-разному: непосредственно за счет магнитных сил при ферромагнитной заготовке и концентрации магнитного потока на ее поверхности; за счет механического натяжения между заготовкой и массой порошка, притянутой к полюсам магнита, при немагнитной заготовке; за счет механического заклинивания массы порошка в местах рабочего пространства концентраторами магнитного потока. В общем случае нормальная составляющая силы резания есть результат совместного действия магнитных и механических сил. Величина механической составляющей всегда является производной от величины магнитных сил (Fм).

Возвращаясь к формуле (1.1), отметим, что, изменяя зернистость порошка (V), мы можем прямо или косвенно увеличить или уменьшить силы резания и интенсивность абразивного резания. Влияние магнитных свойств порошка на силу резания проявляется через величину B. При фиксированном значении напряженности магнитного поля наведенного в магнитном пространстве, величина B (а значит, и Fм) будет тем больше, чем выше значение магнитной проницаемости материала зерен порошка. Важно, чтобы в используемом диапазоне напряженностей магнитного поля материал зерен не достигал предела собственного магнитного насыщения. При малой магнитной проницаемости порошковой массы и низких значениях индукции насыщения (B_s) для создания необходимых магнитных сил требуется большая магнитодвижущая сила магнитного индуктора. Особенно сильно это ощущается при большой длине рабочего пространства (вдоль силовых линий поля), когда недостаточные магнитные свойства порошка вообще могут исключить возможность обеспечения нужных сил резания.

Эффективность абразивного резания определяется не только действующими силами, но также формой зерен и геометрией их вершин и кромок. В работе [45] и в ряде последующих выдвигалась гипотеза об автоматической переориентации зерен магнитного порошка вдоль силовых линий поля по мере изнашивания и таким образом, об их как бы «самозатачивании». Ю.М. Барон [17] делает вывод о необходимости создания порошков с зернами вытянутой формы, с большим отношением   l/d  (рис. 1.14, а), так как только при таком условии их ориентация вдоль силовых линий поля будет вероятна. К тому же, на вытянутых окончаниях каждого зерна обязательно должны оказаться острые вершины, способные осуществлять резание. В то же время перпендикулярное к обрабатываемой поверхности расположение зерна возможно, если силовые линии поля направлены по нормали к поверхности и если на зерно действуют только магнитные силы. В действительности для маломагнитных и немагнитных материалов силовые линии поля далеко не всегда перпендикулярны к поверхности заготовки. Направление силовых линий может сильно искажаться при наличии вблизи концентраторов магнитного поля. Неперпендикулярность силовых линий к поверхности заготовки предопределит неблагоприятное для резания расположение зерен, если они имеют вытянутую форму. В реальных условиях на каждое режущее зерно действуют не только магнитные силы, но и силы трения со стороны движущейся заготовки, и силы различного направления со стороны окружающих зерен. Силы трения (F_тр) (рис. 1.14, б) отклоняют зерна от направления силовых линий, создавая неблагоприятные для резания большие отрицательные передние углы g. По мере затупления образуются углы b₂ при вершине зерна больше исходных углов b₁ ,и это вряд ли можно называть самозатачиванием. Соседние зерна, образующие плотную массу, мешают затупившемуся зерну изменить ориентацию под действием магнитных сил. Чем больше вытянутость зерна, тем труднее ему преодолевать сопротивление соседних зерен для собственной переориентации.

а)

б)

в)

Рис. 1.14. Схемы работы зерен различной формы

Для длительного сохранения режущих свойств зерна желательно сообщать ему форму, близкую к сфере, со многими острыми вершинами, торчащими в разные стороны (рис.1.14, в). Такие зерна легче изменяют свое положение под действием совокупности сил в рабочем пространстве. При этом в контакт с заготовкой входят новые вершины и кромки. Именно такое обновление режущих кромок подразумевается под «самозатачиванием» в работе [16]. Положительные и отрицательные передние углы g для таких зерен равновероятны. Глубина внедрения вершин зерен в поверхность заготовки, соответственно производительность полирования и получающаяся шероховатость зависят от действующих сил и от геометрии вершин – угла заострения b, радиуса округления.

Чем больше зерно, тем больше углы b и радиусы округления. Следовательно, выбирая фракцию порошка с большим зерном для увеличения сил резания, одновременно ухудшаются условия диспергирования материала заготовки.

Особенностью своеобразного режущего инструмента, сформированного из магнитно-абразивного порошка, является его эластичность. Глубина внедрения каждого зерна в обрабатываемую поверхность (а значит, и объем срезаемого металла) — результат установившейся в каждом отдельном случае равновесия между силами, прижимающими зерно к обрабатываемой поверхности, и силами сопротивления материала заготовки внедрению зерна [14].

Анализируя специфику магнитно-абразивного полирования, можно сформулировать определенные требования к свойствам магнитно-абразивных материалов [112, 114].

Твердость. Так же, как и при традиционном полировании, твердость является одной из основных характеристик МАМ, определяющей его режущую и абразивную способность.

Прочность. Небольшие силы резания при МАП и амортизирующее действие железной матрицы снижают требования к прочности МАМ, а при спекании композита в присутствии жидкой фазы может происходить металлизация абразивного компонента, повышая его прочность в 1 – 2 раза.

Теплофизические свойства. Низкая температура резания (<200°) [28] резко снижает требования к теплопроводности и удельной теплоемкости МАМ.

Макро- и микрогеометрия. Малые силы резания повышают зависимость абразивной способности от геометрических параметров МАМ: радиуса округления и углов при вершинах режущих выступов, их количества, шероховатости граней. В зависимости от геометрических параметров гранул можно удалять относительно большие припуски (при использовании гранул осколочной формы) или вести выглаживание и упрочнение формируемой поверхности (при изометрической форме гранул).

Нередко размеры гранул наполнителя выбирают так, чтобы обеспечить их доступ к закрытым или полузакрытым обрабатываемым поверхностям. Кроме того, бывают случаи, когда обработка отдельных поверхностей нежелательна. Тогда размеры гранул выбирают так, чтобы они не соударялись с такими поверхностями.

Форма гранул наполнителя заметного влияния на эффективность обработки свободными абразивами не оказывает. Но при затрудненном доступе частиц к обрабатываемым поверхностям возникает необходимость в подборе рациональной формы гранул (рис. 1.15) с тем, чтобы обеспечить выполнение задания [79, 115].

а)

б)

в)

Рис. 1.15. Влияние формы гранулы на обработку труднодоступных поверхностей