Магнито абразивная обработка. Магнитно-абразивное полирование. История развития технологии МАО

В настоящее время в области металлообработки определилось направление, связанное со снижением припусков и расширением объема финишных операций. Снижение припусков позволяет экономить материальные ресурсы на изготовление деталей и машин, а всевозрастающие требования к точности и качеству обработанных поверхностей определяют тенденцию к использованию финишных операций, особенно когда речь идет о высокой точности обработки. Среди финишных операций достойное место занимает магнитно-абразивная обработка (МАО), являясь высокопроизводительным методом обработки металлов. Она позволяет при наименьших съемах материала наиболее активно воздействовать на обрабатываемую поверхность и управлять микрогеометрией и физическим состоянием поверхностных слоев материала изделия. При этом обеспечиваются их максимальная износостойкость и усталостная прочность.

В основе процесса магнитно-абразивной обработки лежит механический и механохимический съем металла и его окислов с поверхности обрабатываемой заготовки детали, а также сглаживание микронеровиостей путем их пластического деформирования зернами магнитно-абразивного порошка, которые под воздействием постоянного магнитного поля увеличивают свою плотность и прижимаются к обрабатываемой поверхности, совершающей относительное движение. Подача СОЖ в зону обработки, которая в данном процессе выступает как носитель поверхностно-активных веществ, а не как средство охлаждения детали, обеспечивает возникновение процесса электролиза, в результате которого растворяются поверхностный слой материала детали и ферромагнитная основа зерен порошка. Анодное растворение поверхности металла обрабатываемой заготовки детали влияет на съем металла, а растворение ферромагнитной основы зерен порошка обеспечивает вскрытие абразивных частиц и способствует увеличению их режущей способности.

Процесс обработки способом МАО носит характер избирательного и ориентированного абразивного микрорезания и микровыглаживания. Сущность избирательного абразивного микрорезания состоит в том, что при сравнительно больших величинах микровыступов зерна порошка контактируют преимущественно с вершинами гребешка, которые являются концентраторами магнитных силовых линий. Каждый рабочий элемент (зерно) в магнитном поле устанавливается своей наибольшей осью по направлению магнитных силовых линий, т.е. к обрабатываемой поверхности. При износе и затуплении вершин в процессе обработки происходит переориентация элемента таким образом, что вновь образовавшаяся наибольшая ось направляется вдоль магнитных силовых линий. В результате этого обработка поверхности заготовки проводится острыми кромками, т.е. имеет место процесс ориентированного абразивного резания.

Поскольку при МАО связкой абразивного инструмента является энергия магнитного поля электромагнита, способная удерживать зерна порошка (инструмента) в подвижно-связанном состоянии, а также координировать их относительно обрабатываемой поверхности, то появляется возможность существенным образом поменять условия полирования.

Особенности метода МАО: непрерывный контакт порошка с обрабатываемой поверхностью заготовки детали, что снижает циклические нагрузки па систему станок - приспособление - инструмент - деталь и способствует повышению точности геометрических размеров и формы обрабатываемой поверхности; отсутствие жесткого крепления абразивного зерна в связке, которое способствует самопроизвольному нивелированию режущего инструмента относительно формы обрабатываемой поверхности и устраняет вероятность появления в зоне резания критических давлений и температур; повышение физико-механических показателей качества поверхностного слоя материала изделия; возможность управления жесткостью инструмента и за счет этого обеспечение регулирования съема металла с формообразующей поверхности изделия; отсутствие трения связки о поверхность изделия, существенно снижающего температуру в зоне абразивной обработки; возможность резания наиболее острой кромкой зерна магнитно-абразивного порошка (при этом не требуется периодическая перезаточка инструмента); осуществление размерной или безразмерной (декоративной) обработки, обеспечивающей за 10... 120 с съем металла 0,02...0,50 мм на диаметр; снижение шероховатости c Ra = 1,25...0,32 до Ra - - 0,08...0,01 мкм или с Ra - = 10,0... 2,5 до Ra - 0,32... 0,08 мкм; сохранение геометрических размеров в пределах допуска, оставленного для операции шлифования; исключение засаливания инструмента, что позволяет полировать мягкие и вязкие материалы, такие, как медь, алюминий, титан.

Рис. 9.1.

На рис. 9.1 представлена схема МАО на примере обработки цилиндрических деталей. Обрабатываемая заготовка детали 1 помещается между полюсными наконечниками 2 электромагнита 3 с некоторыми зазорами, в которые подается порошок 4, обладающий магнитными и абразивными свойствами. Механическим приводом заготовке детали сообщаются вращательное движение и осциллирующее вдоль оси. Силами магнитного поля зерна порошка удерживаются в рабочих зазорах, прижимаются к поверхности заготовки детали и производят ее обработку. В рабочие зазоры подается СОЖ (эмульсия, керосин и т.д.). В данном случае функции силового источника и упругой связки выполняет энергия постоянного магнитного поля. Степень упругости «магнитной» связки легко регулируется изменением напряженности магнитного поля, что позволяет процессу МАО приближаться к шлифованию связанным или свободным абразивом и тем самым использовать преимущества первого и второго в одном рабочем цикле.

Cущность магнитно-абразивной обработки (МАО) основана на способности ферромагнитной массы, размщённой в магнитном поле, без каких-либо механизмов-преобразователей оказывать абразивное воздействие на обрабатываемую поверхность заготовок. МАО относят к отделочным видам обработки. Движение резания при этом может сообщаться как заготовке, так и инструменту.

В первом случае заготовка помещается между полюсными наконечниками электромагнита с некоторыми зазорами, в которые подеется порошок, обладающий магнитными и абразивными свойствами. Детали сообщают вращательное и осциллирующее (вдоль оси) движения. Силами магнитного поля зёрна ферромагнитного порошка удерживаются в зазорах, и, прижимаясь к поверхности детали, обрабатывают её. В рабочие зазоры подают также СОЖ (эмульсол, керосин).

МАО прменяют для обработки деталей из сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов, пластмасс, стекла, предварительно обработанных точением, фрезерованием, шлмфованием. По сравнению с традиционными методами абразисвной обработки МАО обеспечивает повышение производительности труда в 3…5 раз, а при полировании сферических линз из стекла – в 5…6 раз. При этом затраты на абразивный инструмент снижаются в 2…3 раза.

С помощью МАО можно снизить исходную шероховатость с Ra=1,25…3,2 мкм доRa=0,08…0,01мкм; волнистость – в 8…10 раз, гранность - в 1,5…2 раза. Точность размеров и формы – не изменяются. Основные преимущества МАО – возможность обработки сверхтонких изделий (h=0,05…0,5 мм), изделий неправилбной геометрической формы, возможность обнаружения дефектов предшествующей обработки (трещины, прижоги…)

В качестве оборудования при МАО используют как универсальные МРС, так и специальные высокопроизводительные установки.

1. Для полирования валов можно применять токарно-винторезные станки со специально изготовленным магнитным индуктором, устанавлиаемым на суппорт станка, и с дополнительным осциллирующим передним центром.

Для полирования плоскостей применяют следующие схемы МАО:

На плоскршлифовальном станке с горизонтальным шпинделем. В шпиндель станка вместо абразивного круга закрепляют электромагнитнй диск, на периферии которого в магнитном поле равномерно наращивается щётка из ферромагнитного абразивного материала. При вражении они полируют заготовки из немагнитного материала. Электромагнитный диск может состоять из нескольких П-образных элементарных магнитов или из кольцевых соленоидов со стальными сердечниками, установленными в шпинделе на оправке. Питание электромагнитов осуществляется постоянным током. На корпусе шлифовальной бабки рядом с вращающимся электромагнитным диском устанавливают бункер с абразивной ферромагнитной крошкой. Открывая бункер при вращении диска, абразивная среда равномерно наносится на поверхность диска. Зёрна абразивной среды располагаются вдоль силовых линий поля и прижимаются к цилиндрической поверхности диска. Образовавшаяся щётка достаточно эластична и хорошо самозатачивается. Отработавшая абразивная среда удаляется выключением электромагнита. Зазор между образующей диска и заготовкой устанавливают δ=4…6мм.

Полирование плоскостей магнитопроводных заготовок и тонких немагнитных может быть реализовано на вертикально-фрезерном станке, в шпиндель которого вставляют магнитный индуктор для плоского шлифования.

Для МАО внутренних цилиндрических поверхностей используют специальные станки, где внутрь детали вводят один полюсный наконечник, на который подаётся порошок вместе с СОЖ, а наружные полюсные наконечники охватывают деталь, совершающую вращательное движение, а осциллирующее движение совершает внутренний наконечник.

В качестве абразивных материалов для МАО пименяют керметы, получаемые пресованием абразивной и ферромагнитной составляющей, а также чугунные и стальные опилки. В керметах абразивная составляющая может быть из электрокорунда белого, карбида хрома, карбида титана, карбида кремния. Массовая доля железа составляет 70…80 5. Оптимальная зернистость должна быть в пределах 125…315 мкм.

Режимы МАО обусловлены параметрами, характеризующими механическое движение детали и магнитного индуктора, размерами, конфигурацией рабочих зазоров, напряжённостью магнитного поля свойствами кермета и СОЖ. Так, для полирования стальныхзаготовок d=20…100 мм используют следующие режимы:v з =1…2м/c,v осц =8…10 Гц,S=6…8м/мин, кермет ЭБМ40+80%Fe, зернистость 160…250 мкм, магнитная индукция 1…1,3 Тл, рабочий зазор 1…1,5 мм, длина плоских наконечников 60…80 мм, угол охвата детали полюсами 90˚, СОЖ – 5% раствор эмульсола Э2 в воде. За 10…15 с шероховатость сRa=0,16…0,08 мкм становилась равнойRa= 0,04…0,02 мкм.

По сравнению с финишными процессами, где используется абразивный инструмент на жёсткой связке, МАО вызывает незначительный нагрев изделия: без СОЖ до температуры Т=270…300˚С, с применением СОЖ до температуры Т=45…55˚С.

Магнито-абразивная обработка (МАО) - абразивная обработка, осуществляемая при движении заготовки и абразивных зерен относительно друг друга в магнитном поле (ГОСТ 23505-79).

Сущность магнитно-абразивной обработки состоит в удалении припуска преимущественно абразивным способом с созданием магнитного поля непосредственно в зоне резания. В зависимости от схемы МАО роль магнитного поля заключается: в формировании из магнитно-абразивного порошка абразивного инструмента (АИ) и в удерживании этого порошка в зоне резания; в создании сил резания; в придании АИ или заготовке рабочих движений.

Магнитно-абразивный порошок - шлифовальный порошок, обладающий магнитными и абразивными свойствами.

Магнитно-абразивный порошок получается следующим образом. Порошок электрокорунда смешивается с мелким железным порошком; из этой смеси прессуются брикеты, которые затем обжигаются в печи. Обожженные брикеты размалываются, и зерно полученного порошка представляет спеченные железные (более крупные) и элек- трокорундовые (более мелкие) частицы. Размеры магнитно-абразивных частиц - 100-200 мкм.

Магнитное поле создает электрические токи в поверхностном слое движущейся заготовки и ее поверхность приобретает электрическую зараженность. Это активизирует электрохимические процессы на обрабатываемой поверхности и действие ПАВ, содержащихся смазочноохлаждающих технических жидкостей (СОТЖ), вызывает изменения структуры поверхностного слоя заготовки и его механических свойств. Соответственно МАО относят к ЭХФКМО (электро-физико-химические комбинированные методы обработки), основанным на комбинированном воздействии на заготовку электрофизических, электрохимических и механических факторов.

В качестве АИ используют магнитно-абразивные порошки и магнитно-реологические жидкости с абразивным наполнителем. На практике получили распространение виды МАО с применением порошка, размещенного на активной поверхности магнитного индуктора (МИ), в рабочем зазоре или рабочей зоне (рис. 8.12).

Сформированный из магнитно-абразивного порошка инструмент позволяет производить обработку поверхностей сложной формы без фасонных полюсов (полюсных наконечников) МИ при простой кинематике процессов. Заготовке, МИ или порошку сообщают следующие рабочие движения: главное движение п, определяющее скорость резания и; движение подачи, которое используют для распространения обработки на всю поверхность заготовки или для обеспечения равномерного съема на всех ее участках; и движение осцилляции, позволяющее получить пересекающиеся траектории зерен порошка на обрабатываемой поверхности и способствующее перемешиванию (самозатачиваемости) зерен порошка в рабочем зазоре; дополнительное движение, сообщаемое заготовке в рабочей зоне (или рабочей зоне относительно заготовки) и позволяющее повысить давление порошка на обрабатываемую поверхность.

Схема магнитно-абразивной обработки:

1,2 - полюс магнитного индуктора; 3 - заготовка; 4 - магнитноабразивный порошок; 5 - дозаторы для подачи магнитно-абразивного порошка; 6 - подача СОТЖ; 8 - рабочий зазор.

Скорость вращения заготовки и = 0,5-1,5 м/с, время обработки - 30-45 с, размер зазора в = 1,2-1,5 мм.

Независимо от характера магнитного поля, созданного МИ в рабочей зоне, это поле по отношению к каждому элементу объема движущейся заготовки носит переменный характер. Воздействие переменного магнитного поля на закаленные стали придает обработанным поверхностям повышенные эксплуатационные свойства: износостойкость, коррозионную стойкость, контактную долговечность. Магнитно-абразивной обработке подвергают ферромагнитные и немагнитные материалы с широким диапазоном физико-механических свойств. Области применения МАО:

• удаление заусенцев;
• скругление острых кромок;
• полирование режущей части инструмента;
• удаление окалины с проката;
• очистка печатных плат от оксидов;
• получение рельефного изображения;
• обработка отверстий;
• упрочнение поверхностей.

Классификация процессов МАО основана на разнообразии форм и размеров обрабатываемых заготовок и их свойств, а также видов производства. Это вызвало появление разнообразных способов и устройств для осуществления МАО, отличающихся кинематикой, конструкцией МИ, характером используемого магнитного поля и технологическими возможностями.

Различный характер магнитного поля в рабочей зоне (рабочем зазоре) создается с помощью магнитных индукторов (МИ) и электромагнитных индукторов (ЭМИ), а также индукторов на постоянных магнитах (ИМИ).

При МАО удаление припуска осуществляется абразивным резанием, снятием образующихся химических пленок и сопровождается пластическим выглаживанием обрабатываемой поверхности. Абразивному резанию и пластическому выглаживанию способствуют ПАВ, содержащиеся в СОТЖ, действие которых в условиях МАО проявляется сильнее, чем при абразивной обработке.

МАО позволяет получить шероховатость Ra = 0,3- 0,4 мкм на поверхностях после точения и Ra = 0,08- ОД мкм - после шлифования.

СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЖИДКОСТИ (СОТЖ)

Отличительной функцией СОТЖ при МАО являются интенсификация съема металла заготовки с помощью химически активных и поверхностно-активных добавок; влияние на подвижность зерен порошка в рабочем зазоре и его способность к самозатачиваемости; влияние на структурную приспособляемость поверхностного слоя обрабатываемого материала к абразивному воздействию; предотвращение адгезии продуктов разрушения при МАО на обрабатываемой поверхности. Рекомендуемые составы СОТЖ при МАО приведены в таблице 8.5.

Примечание. Во всех составах вода - остальное.

МАГНИТНЫЕ ИНДУКТОРЫ

В состав МИ кроме источника поля - намагничивающей катушки или постоянных магнитов - входят следующие элементы: магнитопроводы, обеспечивающие прохождение и замыкание магнитного потока по кратчайшему пути с наименьшим магнитным сопротивлением; механизмы для изменения размеров рабочей зоны или рабочего зазора; механизмы или электромагнитные средства для сообщения полюсам МИ рабочих движений; механизмы для регулирования напряженности магнитного поля (для индукторов на постоянных магнитах).

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ

Области применения магнитно-абразивной обработки следующие:

• полирование нежестких деталей (оси, штоки большой длины и малого диаметра);
• полирование больших плоских поверхностей (торцы дисков большого диаметра);
• обработка деталей сложного профиля с небольшим перепадом размеров профиля.

Имеется ряд специальных станков для магнитно-абразивной обработки. Используются также универсальные станки (токарные, фрезерные, карусельные), оснащенные специальными приспособлениями с электромагнитами и устройствами подачи магнитно-абразивного порошка.

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 .

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. 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.

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 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. – 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

Магнитно-абразивная обработка

Резюме. Рассмотрены вопросы разработки технологий и создания оборудования для финишной обработки поверхностей с использованием магнитно-абразивного метода. Показана возможность его применения как для простых, так и сложных по форме деталей из различных материалов - металлов и сплавов, керамики, монокристаллов и др. Ключевые слова: магнитно-абразивная обработка, полирование, формообразование.

Компания «Полимаг» имеет большой опыт разработки оригинальных эффективных технологий и создания специального оборудования различной степени сложности для финишной обработки (чаще всего магнитно-абразивной) изделий, применяемых в машино- и приборостроении, оптической, электронной и других отраслях промышленности.

Процесс магнитно-абразивной обработки (МАО) осуществляет ферроабразивный порошок, уплотненный магнитным полем. Принципиальное отличие МАО от традиционных абразивных методов - отсутствие связки, что позволяет формировать режущий контур из абразивных элементов непосредственно у поверхности, а количество рабочих микро- и субмикроэлементов на единицу площади при этом во много раз больше, чем при шлифовании. В то же время при МАО преобладают процессы субмикроцарапания, упругопла-стического сдвига металла и микровыглаживания поверхности,

Николай Хомич,

директор научно-инженерного предприятия «Полимаг», кандидат технических наук

значения нагрева и давления в зоне обработки значительно ниже. Температура в месте контакта ферроабразивного зерна и детали не превышает 150 °C, не образуются дефекты, свойственные абразивной обработке. При МАО очень важна роль применяемого импульсного магнитного поля. Оно вызывает проявление в приповерхностном слое образца магнитно-пластического, магнитоэлектрического и магнитострикционного эффектов. Под их воздействием приводятся в движение (подобное броуновскому) слабозакрепленные дефекты структуры (дислокации, дисклинации, ротации и др.), образовавшиеся в ходе предше-

ствующей операции обработки детали. Значительная их часть выходит на поверхность, а «мягкая щетка» из ферроабразивного порошка формирует нанорельеф с незначительной шероховатостью и приповерхностный слой с минимумом дефектов структуры - потенциальных очагов разрушения материала детали.

Метод отличается высокой универсальностью и простотой реализации и обслуживания. Благодаря различным конструктивным исполнениям элементов рабочей зоны и широкому выбору кинематических схем можно успешно обрабатывать как простые, так и сложные по форме поверхности - цилиндрические наружные и внутренние, плоские, тел вращения с криволинейной образующей, винтовые с различным профилем, сложнофасонные и др. При этом возможность использования разнообразных по составу и свойствам технологических сред в процессе МАО позволяет обрабатывать изделия из различных материалов в широком

Наномир структур и явлений

диапазоне - металлы и сплавы, керамику, монокристаллы и др.

В зависимости от предъявляемых требований магнитно-абразивным способом можно осуществлять полирование или зачистку детали, а также модификацию приповерхностного слоя. Магнитно-абразивное полирование (МАП) обеспечивает качественную поверхность с низкой шероховатостью (от микро-до наноуровня) с минимальным количеством дефектов структуры. В свою очередь зачистка удаляет загрязнения и изначальную окисную пленку, формируя взамен нее аналогичную тонкую новую, которая с течением времени практически не растет и предохраняет основной материал от коррозии. Магнитно-абразивная модификация создает барьерный приповерхностный слой путем внесения в него определенных легирующих элементов и обеспечения оптимального напряженно-деформированного состояния.

Таким образом, метод МАО может обеспечивать требуемое качество и специальные эксплуатационные свойства поверхности изделий - сопротивление коррозии, износу и механическому разрушению.

На предприятии «Полимаг» большое внимание уделяется исследованиям и разработкам в области супертонкой обработки деталей оптики, лазерной техники и микроэлектроники.

Для магнитно-абразивного полирования плоских, сферических и асферических поверхностей с целью улучшения макрогеометрии и снижения шероховатости создана программно управляемая установка модели А09 (рис. 1). Основные ее технические характеристики приведены в табл. 1.

Параметры МАП вводятся в ЧПУ установки А09 по данным интерферограммы исходной (механически полированной)

Диаметр обрабатываемой детали, мм 10...100

Толщина обрабатываемой детали, мм 0,5.. .30,0

Частота вращения магнитного индуктора, с-1 5.25

Шероховатость после МАП, Рэ, нм < 2

Точность формы обработанной детали, мкм 0,01.0,05

Время обработки, мин 3. 15

Потребляемая мощность, кВт 1,5

Габаритные размеры ДхШхВ, мм 700x600x500

Масса, кг 80

поверхности. Процесс осуществляется путем автоматического сканирования образца эластичным магнитно-абразивным инструментом, а съем материала происходит избирательно на выступающих участках поверхности. Например, МАП плоской пластины из оптического стекла диаметром 28 мм позволило за 6 мин. снизить параметр макрогеометрии РУ с 158 нм до 30 нм и уменьшить шероховатость с 20 до 1,4 нм.

В 2015 г. запланировано завершить работы по созданию установки А14, превосходящей по технологическим возможностям установку А09 и позволяющей полировать детали размерами от 20х20 до 200х200 мм с обеспечением Б.а < 1 нм (для отдельных задач Б.а < 0,2 нм).

Общий вид установки А14 представлен на рис. 2.

На предприятии разработаны и реализованы на практике технологии и оборудование для магнитно-абразивной обработки (модификация, полирование) наружных и внутренних поверхностей труб из циркониевых сплавов диаметром 6-15 мм -оболочек тепловыделяющих элементов атомных реакторов. Основная задача - повышение коррозионной стойкости и качества поверхности, а также замена традиционно используемого процесса травления труб во фтористо-водородных растворах, применение которых экологически небезопасно. Исследования процесса магнитно-абразивной

модификации циркониевых компонентов, в том числе реакторные испытания модифицированных оболочек твэлов, показали перспективность его промышленного применения в атомном машиностроении. Разработанная технология и установка Т15 (рис. 3) используются в Инсти-

Основные

технические

характеристики

установки

Рис. 1. Установка А09

Рис. 3. Рабочий модуль установки Т15

Табл. 2. Основные технические характеристики установки Т15

VO Установки

"Z для магнитно-

2 S абразивной

< сс О обработки

Наименование показателя Значение показателя

Диаметр обрабатываемой детали, мм 6...15

Длина обрабатываемой детали, м 0,7...5

Шероховатость после МАП, Ра, мкм < 0,2

Размерный съем металла, мкм 10.30

Скорость обработки, м/мин 0,5.1,5

Потребляемая мощность, кВт 2,5

Габаритные размеры ДхШхВ, м 11,5x0,6x1,3

Масса, кг 200

туте промышленных ядерных технологий Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», а также проходят апробацию на предприятиях Росатома. Технические характеристики установки Т15 приведены в табл. 2.

Заслуживает внимания установка МК12 (рис. 4 а) для магнитно-абразивного полирования сложных поверхностей компрессорных лопаток из титановых сплавов и жаропрочных сталей. Основными задачами здесь являются повышение эксплуатационных свойств лопаток - сопротивления коррозии, эрозии и знакопеременным механическим нагрузкам, что будет способствовать повышению безопасности эксплуатации летательных аппаратов, а также замена ручного труда рабочих на финишных операциях обработки данных изделий. Указанные технология и устройства используются компанией «Мелита-К» (Казань, Россия), а также планируется их внедрение на предприятиях Минавиапрома Российской Федерации.

Разработаны и применяются в производстве технология и установка П12 (рис. 4 б) для магнитно-абразивного полирования торцевых поверхностей пуансонов из инструментальных сталей для прессования таблеток из сыпучих материалов, в том числе лекарственных препаратов. Основная задача - повышение качественных характеристик рабочих поверхностей, а также автоматизация процесса. Данные технология и оборудование используются на предприятии «Точная механика» (Минск) в производстве пуансонов различного применения.

Установка М14 (рис. 4 в) осуществляет магнитно-абразивную зачистку кромок изделий из алюминиевых и других сплавов перед сваркой. В ходе операций удаляются оксидные пленки, формируется поверхность с минимумом дефектов структуры и высокой коррозионной стойкостью. Обработанные детали с течением времени практически не окисляются и пригодны к сварке в течение 30 суток и более (в случае подготовки химическим травлением этот срок составляет лишь 8 часов). Установка содержит 3 наладки,

позволяющие помимо зачистки кромок полировать плоские и цилиндрические поверхности.

Проводятся исследования и разрабатываются способ и установка для магнитно-абразивного полирования твердосплавных сменных многогранных пластин с наконечниками из кубического нитрида бора с целью обеспечения заданного радиуса округления режущей кромки и повышения качества всей поверхности пластины перед нанесением покрытий. В этой технологии заинтересованы многие предприятия, изготавливающие инструменты различного назначения.

Также ведутся работы по созданию способов и устройств для магнитно-абразивного полирования внутренних поверхностей волноводных труб из медных сплавов СВЧ-устройств РЛС. Внедрение данной технологии и оборудования планируется на предприятиях концерна ПВО «Алмаз-Антей» (Россия).

Организовано производство по изготовлению технологических сред (ферроабразивных порошков, абразивных суспензий) для магнитно-абразивной обработки различных материалов, завершается создание опытно-промышленного участка по серийному выпуску оборудования.

В настоящее время компанией «Полимаг» выполняются НИОКР, развивается сотрудничество с заказчиками из стран СНГ, ЕС, а также из Китая. СИ

See: http://innosfera.by/2015/06/ Magnetic_abrasive_machining