Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Электрофизические и электрохимические способы обработки материалов - файл Эектрофизическая и электрозимическая обработка материалов.doc


Лекции - Электрофизические и электрохимические способы обработки материалов
скачать (4770.3 kb.)

Доступные файлы (1):

Эектрофизическая и электрозимическая обработка материалов.doc7684kb.31.01.2009 19:21скачать

Эектрофизическая и электрозимическая обработка материалов.doc

1   2   3   4   5   6   7
^

Штамповка фасонных деталей



На рисунок 8.4. дана зависимость межэлектродного промежутка от напряжения на электродах Uс.




Рисунок 8.4 — Зависимость от напряжения на электродах UС


Кривая 1 соответствует камере малой вместимости, кривые 2 и 3 – большей вместимости.

При обработке в воде оптимальную длину межэлектродного промежутка можно определить по соотношению:


, мм (8.16)


где – заданное напряжение на конденсаторах, В;

– индуктивность, Гн;

^ С – емкость конденсаторов, Ф.


Для электрогидравлического формообразования с взрывающимся проводником оптимальные длину и диаметр dпр проволоки также определяют по эипирическим формулам в зависимости от показателей установки:

, мм (8.17)

мм (8.18)

где γпр – удельная проводимость материала проволоки, 1/Омּсм;

ρпр – плотность проволоки, г/см3;

qпр – теплота, необходимая для нагрева и испарения единицы массы проводникового материала, Дж/г.


2. Схема электровзрывной обработки


2.1 Штамповка


Для электрогидравлической штамповки применяются импульсы высокого напряжения, так как напряжение на электродах менее 30 кВт дает неустойчивый разряд. Кроме того, при повышении напряжения растет КПД процесса.

Электрогидравлическая объемная штамповка и ковка может осуществляться с помощью вспомогательного элемента, передающего усилие к заготовке, например металлического поршня. Причем, работа гидросистем 1 должна быть строго согласована по времени с электрическими разрядами между электродами.




Рисунок 8.5 — Схема электрогидравлического процесса

1 – гидросистема; 2 – камера; 3 – электроды; 4 – пружина; 5 – поршень; 6 – заготовка; 7 – стол.


Известна также электрогидравлическая штамповка экструзией (от позднелатинского слова — extrusion-выталкивание). Экструдер может быть шнековый или червячный.

Для этой цели несколько пар электродов располагают в пространстве последовательно. Если разряды в них возникают также последовательно с небольшой задержкой, то в камере можно получить высокое давление. Заготовку помещают за последними электродами в ресивере, в котором имеется фильера с выходом в атмосферу. Благодаря высокому давлению в ресивере возможно экструзионное выдавливание металла заготовки через отверстие фильеры.


2.2. Очистка изделий

Очистка изготовленных деталей — одна из самых распространенных операций в технологии машиностроения. Использование электрогидравлической очистки значительно повышает производительность этой операции для многих видов изделий.

В известных способах очистки, например литья — гидропескоструйной, дробеструйной, дробеметной и др. очень трудно добиться полной автоматизации процесса.

С этой точки зрения при очистке литых деталей сложного профиля из высокопрочных материалов преимущества электрогидравлической очистки проявляется в полной мере.

При использовании одного электрода необходимо поддерживать постоянную высоту его расположения над заготовками, так как от нее зависят параметры разряда, а следовательно, и качество очистки изделий.




Рисунок 8.6 — Схема установки для электрогидравлической очистки литых деталей

1 – электрод; 2 – тележка; 3 – траверса; 4 – ванна; 5 – основание; 6 – решетка; 7 – заготовки (детали); 8 – транспортер; 9 – осажденные частицы.


Обычно для этого применяют механические копиры ,,с помощью которых электроды перемещаются в зависимости от изменения положения обрабатываемых поверхностей заготовок. Площадь поверхности заготовки, надежно очищаемая одним разрядом, обычно ограничена окружностью диаметром 150…400 мм.

Поэтому необходимо согласовывать время между разрядами с расстоянием, пройденным электродом.

При очистке несколькими электродами их устанавливают на расстоянии 300…400 мм друг от друга.

Очистку надо проводить сразу после литья. Под действием электрических разрядов формовочная смесь отделяется от опок и литья и вместе со стержневыми составами выпадает через решетку в транспортер 8. Отходы идут снова в производство.


2.2.1 Электрогидравлическая очистка непрерывно движущейся ленты

Схема очистки ленты состоит в следующем. Лента через уплотнение входит в ванну с водой. Электроды установлены над загрязненной стороной ленты. Скорость ленты и число электродов выбирают из вышеприведенных условий.


2.2.2 Электрогидравлическая очистка в барабанах


Мелкие заготовки очищают в данных устройствах. В барабан заливают рабочую жидкость. Один или несколько электродов испускают разряды. При вращении барабана действие разрядов постепенно испытывают все заготовки.

Для стабилизации процесса необходима определенная загрузка по объему барабана (коэффициент заполнения) заготовками.

Очистка барабана производится прокачкой рабочей жидкости.


2.2.3 Электрогидравлическая очистка крупных заготовок

Крупные заготовки … очищают по схеме “швабры” (рисунок 8.7.). На заготовку 6 через прокладку 1 устанавливается шарообразный колпак 3, в котором смонтированы патрубки 2 для подачи рабочей жидкости, а также электроды 5 и механический манипулятор 4 для перемещения колпака по заготовке.




Рисунок 8.7 — Схема электрогидравлической очистки крупных заготовок

1 – резиновая прокладка; 2 – патрубок для рабочей жидкости; 3 – колпак шарообразный; 4 – механический манипулятор; 5 – электроды; 6 – заготовка.


Достоинства способа — простота устройства, малый расход рабочей жидкости. Применяется для очистки корпусов судов “на плаву”.

Электрогидравлическая очистка осуществляется по схеме, когда в результате разряда в полости из нее через узкое сопло выбрасывается струя абразивной суспензии с очень большой скоростью.

Абразивный материал можно добавлять в рабочую жидкость непосредственно перед выходом ее из сопла.

Для повышения эффективности очистки в качестве рабочей среды используют электролит, а на заготовку или на рабочую среду подают потенциал.

Таким способом можно производить и разрезание заготовок толщиной до 6 мм.


3. Получение неразъемных соединений электрогидравлическим способом

Электрогидравлическую обработку используют для развальцовки, обжатия и других подобных технологических операциях. Это позволяет механизировать наиболее массовые операции, ранее производимые вручную.

В судостроении, энергетическом машиностроении, химической промышленности широко применяются трубчатые теплообменники. Чтобы улучшить рабочие свойства теплообменников, их изготовляют из высоколегированных сталей, плохо поддающихся сварке.

Для крепления труб в трубных решетках стали применять электрогидравлическую запрессовку. Процесс осуществляется с помощью специальных патронов одно — или многоразового действия.





Рисунок 8.8 — Патрон одноразового использования

1 – герметизированная резиновая трубка; 2 – электроды; 3 – рабочая жидкость; 4 – труба; 5 – трубная решетка (коллектор).


При электрогидравлической обработке получается гарантированный натяг. Качество соединения трубы с коллектором улучшают целым рядом конструктивных и технологических мероприятий.

Так на поверхности отверстий коллектора предусматривают особые канавки, которые при разряде заполняются пластически деформированным металлом трубы. Тем самым повышается сцепление трубы. Тем самым повышается сцепление трубы с коллектором (плотность).

Иногда на сопрягаемые поверхности коллектора и трубы наносят слой вещества, которое при запрессовке заполняет все неровности на поверхностях сцепления.

Для повышения качества запрессовки необходимо соблюдать ряд условий:

1) диаметральный зазор между внутренней поверхностью трубы и наружной поверхностью патрона не должен составлять более 4 % внутреннего диаметра трубы;

2) длина гильзы патрона равна или немного меньше длины запрессовки (толщины трубной решетки – коллектора);

3) зазор между трубой и стенкой отверстия в коллекторе не должен превышать 2 % наружного диаметра трубы;

4) соединяемые поверхности должны быть тщательно зачищены и обезжирены.


Патрон многоразового действия отличается тем, что область разряда вынесена за пределы трубы.





Рисунок 8.9 — Схема патрона многоразового действия


Принцип его работы основан на том, что после взрыва проволоки ударная волна воздействует на упругое кольцо через поршень и две втулки.

В результате упругое кольцо сжимается в осевом направлении и раздается в радиальном; появляется сила Р1, которая осуществляет развальцовку.

Для операции обжатия взрывающуюся проволоку наматывают на изолированную поверхность цилиндрической заготовки, предварительно покрытую изоляционным материалом (например, лаком). Шаг намотки и размер проволоки выбирают так, чтобы необходимую деформацию заготовки получить за 1 разряд.


При подаче импульсного напряжения проволока взрывается и деталь обжимает основу. Прочность соединения на 20…30 % выше, чем при запрессовке механическим способом. Производительность выше, расход энергии меньше, себестоимость меньше в 2,5 раза.

Электровзрывной обработкой можно исправить бракованные изделия:

  • восстанавливать раздачей размеры изношенного поршневого пальца;

  • править помятости на заготовке, помещаемой в контрольную форму и т.д.




  1. Дробление материалов


Электрогидравлическое дробление применяется для измельчения только хрупких материалов.

Известно два способа обработки: внешним или внутренним разрядом.

При внешнем разряде один электрод устанавливают над измельчаемым материалом, который служит вторым электродом. При многократных разрядах материал постепенно измельчается и проваливается через сетчатое дно (сито).

При внутреннем разряде в измельченном теле просверливают отверстия, в которые входят электроды. Дробление происходят вследствие разрядов в объеме самого тела.

Если необходимо измельчать куски металла, то их смешивают с каким-нибудь вязким диэлектриком (пластмассой) в объемном отношении 1:5. В результате разрядов разрушаются преимущественно куски металла, которые затем отделяются от вязкого наполнителя благодаря разнице плотностей.

На показатели процесса дробления существенно влияет частота следования разрядов. При большой частоте снижается КПД процесса, так как свойства рабочей среды не успевает восстанавливаться.

В несменяемой рабочей среде оптимальная частота разрядов составляет 15…25 Гц, а при сменяемой рабочей среде частота разрядов выше.

На степень измельчения влияет скорость поступления материала в разрядную зону. Избыток материала приводит к его уплотнению, но не к измельчению.

При электрогидравлическом дроблении у измельченных частиц остаются острые края, возникающие при хрупком раскалывании более крупных кусков.

Так бетон, полученный на щебне, измельченном на электрогидравлической установке, обладает повышенной прочностью, так как увеличивается суммарная поверхность измельченных частиц.

Или еще. Абразив после электрогидравлической обработки не имеет плоских и игольчатых зерен, что улучшает его технологические свойства, так как получается больше граней, острых кромок. При электрогидравлическом дроблении зона обработки занимает не большой объем. Поэтому можно использовать оборудование, не отличающееся высокой прочностью к ударным нагрузкам.

Оборудование имеет простое устройство и низкую металлоемкость. Производительность при дроблении мелких фракций достигает 450 кг/ч, а при дроблении крупных фракций — до 2,5 т/ч.


5. Изменение свойств поверхности

Электрогидравлический эффект используют для изменения свойств поверхности, в частности: для нанесения покрытий, упрочнения и наклепа, спекания и уплотнения.


5.1 Нанесение покрытий


Можно наносить как металлические, так и неметаллические покрытия на поверхности заготовок. Процесс протекает в вакууме или газовой рабочей среде.

Проволочному электроду придают форму поверхности заготовки и располагают его на расстоянии, при котором область действия электрического взрыва охватывала бы всю напыляемую поверхность.

Параметры импульса напряжения задают из условия, чтобы весь проволочный электрод превратился бы в пар, а не в капли расплава. При этом обеспечивается надежное сцепление наносимого металла с поверхностью заготовки.

Если наносится неметаллическое покрытие, то исходный материал помещают в полый проволочный электрод. При взрыве проводника этот материал, испаряясь, покрывает обрабатываемую поверхность.

Параметры выбирают на испарение материала, а не на его сжигание.

Можно получить многокомпонентное, а также многослойное покрытие, благодаря последующему чередованию процессов с различными испаряющимися материалами.


5.2 Упрочнение и наклеп


Эти два явления почти всегда сопутствуют электрогидравлическому формообразованию, так как на заготовку действуют значительные механические нагрузки.

Можно осуществить и специальную технологическую операцию, в ходе которой на заготовку действуют также усилия, которые вызывают только упрочнение и наклеп, но не изменяют ее формы.

Если требования к качеству поверхности детали невысокие, то вместо второго электрода используют саму заготовку.

В противном случае применяют два электрода, а усилие к заготовке передают через промежуточное диэлектрическое упругое (“не слабое” звено) тело.

Данную технологическую операцию применяют, например, для упрочнения проволоки, а в качестве электрода служит непрерывно подаваемая проволока.


5.3 Спекание и уплотнение


При электрогидравлическом разряде в массе опилок или стружек благодаря высокому давлению материалы уплотняются, а термическое воздействие тока приводит к их спеканию. Этот процесс применяют для брикетирования стружки.

Известны и другие области применения электрогидравлического эффекта: обезгаживание (удаление газов), перемешивание жидкостей, удаление шлаков и примесей, получение эмульсий расплавов металлов, деэмульгирование, для создания вибрации заготовок.

Электрогидравлический эффект можно использовать совместно с другими воздействиями на заготовку.

Так, при штамповке или деформации крупных и толстостенных заготовок сначала применяют электрогидравлическое формообразование (при котором снижается στ обрабатываемого материала). Затем без паузы на данный участок заготовки воздействуют взрывом обычного взрывчатого вещества, чем и заканчивается деформация заготовки.

Электрогидравлический эффект применяют для прокачки рабочих сред при ЭХО или ЭЭО, когда несколько пар электродов устанавливают по тракту движения рабочей среды и последовательным их включением осуществляется прокачка среды.


6. Контрольные вопросы


1. Назовите две основные разновидности электровзрывного формообразования.

2. Каков принцип электрогидравлического формообразования при электрическом разряде в жидкости?

3. Поясните принцип нанесения покрытий электрическим взрывом проводников.

4. Каковы основные технологические схемы электрогидравлического формообразования?

5. Объясните принцип электрогидравлической штамповки.

6. В чем принцип электрогидравлической запрессовки элементов и каковы особенности данной операции?

7. Поясните процесс электрогидравлического дробления материалов и изменения свойств поверхности.


^ 9. МАГНИТОИМПУЛЬСНОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ.


Введение


Магнитоимпульсное формообразование относится к методам обработки давлением. По технологическим параметрам этот вид обработки близок к электровзрывному формообразованию. Сила, вызывающая деформацию, создается за счет электромагнитных эффектов непосредственно в самой заготовке, выполненной из электропроводного материала.

В данном случае никаких промежуточных рабочих сред для передачи механических усилий на заготовку не требуется. Схема метода показана на рисунке 9.1




Рисунок 9.1 — Схема магнитоимпульсного формообразования

1 – выпрямитель; 4 – обмотка возбудителя;

2 – батарея конденсаторов; 5 – заготовка;

3 – переключающее устройство; 6 – матрица.


От выпрямителя 1 заряжается батарея конденсаторов 2, в электрическом поле которых к началу обработки накапливается энергия:

(9.1)

где: ^ С – емкость батареи конденсаторов, Ф;

Uc – напряжение на обкладках конденсаторной батареи, кВ.

Емкость батареи достигает 100 мкФ, Uc – десятков киловольт.

С помощью переключающего устройства 3 заряженная батарея конденсаторов подсоединяется к обмотке 4 возбудителя, предназначенного для создания магнитного поля определенной пространственной конфигурации.

Конденсаторы в течение очень короткого времени разряжаются на обмотку возбудителя, максимальная сила разрядного тока I достигает сотен и тысяч килоампер.

В окрестности возбудителя, где установлена заготовка 5, создается быстроизменяющееся магнитное поле, которое приводит к возникновению электромагнитной силы . Эта сила вызывает деформацию листовой заготовки, которая принимает форму матрицы 6.

Таким образом, в данном процессе энергия электрического поля конденсаторов преобразуется в энергию магнитного поля возбудителя, а затем в работу деформации заготовки и частично в теплоту.

Формообразование протекает очень быстро. Время операции определяется в основном длительностью зарядки конденсаторов и вспомогательным временем на замену заготовок.

Установка для магнитоимпульсной обработки (МИО) во время деформации заготовки не взаимодействует с внешней средой, время обработки длится 100 мкс.

МИО применяется для изготовления деталей толщиной менее 3 мм из листовых заготовок из стали, латуни, алюминия, меди и даже из сплавов с малой пластичностью.

Первая установка была создана академиком П.Л. Капица в 20-х годах ХХ столетия. На этой установке удалось достичь напряженности магнитного поля Н=107 А/м.

В конце 50-х – начале 60-х годов были построены исследователями установки, создающие магнитные поля с напряженностью Н=109 А/м.

Одновременно в СССР и США разрабатывались устройства промышленного назначения МИО для технологических целей.

Достоинства магнитоимпульсного формообразования:

— простота оборудования;

— отсутствие инструмента;

— возможность получения деталей сложной конфигурации;

— отсутствие движущихся узлов;

— простота автоматизации процесса;

— отсутствие рабочей среды;

— нет необходимости герметизировать рабочее пространство;

— формообразование можно проводить через непроводящую оболочку.

Однако требуется тщательное обоснование применения данного метода, поскольку силы, вызывающие деформацию, существенно зависят от физико-химических и геометрических свойств заготовки. [7]


1. Физика процесса


1.1 Разновидности магнито-импульсного формообразования.


Оно осуществляется двумя способами:

— электродинамическим – при взаимодействии токов в возбудителе и заготовке, включенной в цепь разряда конденсаторов;

— индукционным – при взаимодействии импульсного магнитного поля, которое создается возбудителем, с токами, наведенными в заготовке самим же полем; при этом заготовку не включают в электрическую цепь.

1) Электродинамический способ основан на электромеханическом взаимодействии проводников, в которых протекают токи.



Рисунок 9.2 — Схема электромеханического взаимодействия проводников


Как известно из электротехники, параллельные провода с одинаково направленными токами и притягиваются, а с противоположно направленными – отталкиваются.

Сила притяжения (или отталкивания) прямо пропорциональна произведению сил токов , длине проводов и обратно пропорциональна расстоянию между проводами а:

(9.2)

где КF – коэффициент пропорциональности.




Рисунок 9.3 — Схема электродинамического способа формообразования

1 – заготовка; 3 – кольцевая перемычка;

2 – возбудитель; 4 – матрица.


В данном случае цилиндрическая заготовка 1 и возбудитель 2 соединены последовательно с помощью электропроводной кольцевой перемычки 3 и подключены к конденсаторной батарее.

Током І разряда в возбудителе 2 создается магнитное поле с индукцией В, которое, взаимодействуя с током І той же силы в заготовке 1, создает в ней сжимающие силы Fэ. Заготовка опрессовывает матрицу 4.

Поскольку токи в заготовке и возбудителе соответствующим образом распределены по их объемам, то общие соотношения для расчета электромагитных сил Fэ оказываются довольно сложными.

Эти силы растут с увеличением силы токов и уменьшением расстояния между возбудителем и заготовкой.

Недостатком электродинамического способа является необходимость включения в разрядную цепь деформируемой заготовки, что не всегда возможно.

2) Индукционный способ более распространен. Заготовку не включают ни в какие электрические цепи.





Рисунок 9.4 — Схема индукционного способа формообразования

1 – батарея конденсаторов; 3 – заготовка;

2 – возбудитель; 4 – матрица.


Например, внутри возбудителя 2 установлена трубчатая заготовка 3, которая под действием электромагнитных сил Fэ опрессовывает форму (матрицу) 4.

Из физики известно, что плотность энергии магнитного поля равна .

Где: В – магнитная индукция, Вб;

Н – напряженность магнитного поля, А/м.

Для воздуха: (9.3)

где – магнитная постоянная, Гн/м.

В начале разряда конденсатора 1 (в течение десятков мкс) вблизи обмотки 2 на внешней стороне заготовки 3 напряженность магнитного поля велика, а на внутренней стороне напряженность мала.




Рисунок 9.5 — Фрагмент... индукционного способа


В единичном объеме пространства внешней части заготовки плотность магнитной энергии равна:

(9.4)

то же во внутренней части:

(9.5)

где – значения магнитной индукции соответственно на внешней и внутренней сторонах заготовки.

Размерность плотности энергии такая же, как и у давления. Поэтому плотностям энергии по обе стороны заготовки соответствуют различные магнитные давления и .

Плотностью fэ электромагнитных сил на участке заготовки 1 называется разность магнитных давлений с внешней и внутренней сторон.

Эти магнитные давления перпендикулярны вектору и численно равны местным плотностям магнитной энергии.



Поверхностная плотность электромагнитных сил будет равна:

(9.6)

Вектор fэ направлен в ту сторону, где магнитное поле слабее.

Чтобы произошло магнитоимпульсное формообразование, необходимо чтобы напряженности магнитного поля по обеим сторонам листовой заготовки существенно отличались друг от друга.

Напряженность магнитного поля внутри заготовки ослабляется за счет тока , наведенного изменяющимся магнитным полем тока I в электропроводной заготовке.

По правилу Ленца наведенный ток имеет такое направление, что его магнитное поле встречно тому, которое создается возбудителем 2 внутри контура, где возникает наведенный ток.

Заготовка, а точнее цепь наведенного тока, обладает определенной инерционностью, характеризуемой в простейшем случае постоянной времени .

(9.7)

Чем больше в сравнении с длительностью протекания разрядного тока, тем сильнее выражена электромагнитная инерционность электропроводной заготовки и тем слабее в начале разряда магнитное поле, характеризующееся величинами и на ее внутренней стороне.

Отсюда вывод: время разряда конденсаторной батареи – то есть время нарастания магнитного поля, должно быть как можно меньшим.

Иногда электромагнитные силы Fэ создают быстро падающим магнитным полем, получаемым разрывом цепи (например, с помощью плавкого предохранителя).

На нагрев заготовки тратится до 20% энергии, накопленной конденсатором.

Так как магнитное давление действует перпендикулярно вектору магнитной индукции, то последний должен быть направлен параллельно исходной поверхности заготовки. Для этого подбирают соответствующую конфигурацию возбудителя. Например, для трубчатой заготовки индукция магнитного поля должна быть направлена вдоль боковой поверхности заготовки. Для листовой заготовки – магнитное поле должно быть параллельно плоскости листа.

Чтобы увеличить местную деформацию заготовки, магнитное поле в определенной области сосредотачивают насадками из электропроводных материалов.





Рисунок 9.6 — Схема сосредоточения магнитного поля насадком

1 – насадок; 3 – заготовка;

2 – возбудитель; 4 – матрица.


Из электротехники известно, благодаря поверхностному эффекту быстро изменяющийся магнитный поток не проникает вглубь проводника. Поэтому линии магнитного поля как бы обтекают поверхность насадка, принимая в окрестности заготовки необходимую конфигурацию.

Известны и другие способы передачи механических сил заготовке:

— для заготовок из материалов с низкой удельной проводимостью между заготовкой и возбудителем устанавливают тонкие электропроводные (алюминиевые) прокладки (спутники);

— также применяют жидкость, которая сжимается деформируемой прокладкой.


2. Контрольные вопросы.


1. Объясните принцип действия установок для магнитоимпульсного формообразования индукционным и электродинамическим способами.

2. Кто создал первую установку для получения сильных магнитных полей и когда?

3. Можно ли непосредственно использовать магнитоимпульсное формообразование для изготовления деталей из неэлектропроводных материалов?

4. Почему невозможно магнитоимпульсное формирование очень тонких заготовок?

5. Почему нельзя беспредельно сокращать время зарядки конденсатора с целью повышения производительности установки?


^ 10. МАГНИТНО-АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА


Введение


Состояние поверхностей и приповерхностного слоя деталей и режущих инструментов в значительной мере определяют их эксплуатационные свойства.

Для изделий и инструментов, к которым предъявляются требования долговечности и надежности, важны такие характеристики поверхности, как: коэффициент трения, длительность приработки, износостойкость, наличие дефектов в виде микротрещин, внутренние остаточные напряжения, коррозионная стойкость.

Для других изделий могут оказаться важными светоотражающие свойства поверхности, ее способность поглощать газы и атомные частицы, электрическая и магнитная проводимость поверхностного слоя.

Общеизвестно, что физико-химические и механические свойства приповерхностного слоя могут существенно отличаться от свойств основного материала детали. При этом окончательные свойства поверхности являются результатом воздействия на деталь в процессе ее изготовления и особенно на финишных операциях.

Возрастающие и расширяющиеся требования к поверхностям вызывают потребность совершенствовать существующие технологические способы, расширяющие возможности отделочной и упрочняющей технологии.

Отдельное внимание приходится уделять состоянию поверхностей режущих инструментов, поскольку от них зависит стойкость и расход инструментов, а также производительность, качество обработки инструментами, стабильность ее результатов.

Появление магнитно-абразивного полирования (МАП) и магнитной обработки (МО) деталей и инструментов является следствием названных выше тенденций.

Первые предложения использовать магнитное поле для абразивной обработки относятся к 1938 году.

Первые публикации об исследованиях и применении абразивной обработки с использованием магнитного поля появились в 60-х годах ХХ столетия и принадлежат советским ученым: Барону Ю.М., Верезубу В.Н., Герасеменку Ю.В., Хохлову Б.А., Шальнову В.А., Шулеву Г.С.

Большой вклад в эту работу внесли: Калининградский технологический институт рыбной промышленности и хозяйства, Ленинградский политехнический институт, Физико-технический институт А.Н. БССР, Уфимский авиационный институт, Московский технологический институт легкой промышленности, Институт проблем материаловедения А.Н. УССР, Институт сверхтвердых материалов А.Н. УССР.


В процессе магнитно-абразивного полирования обрабатываемый материал подвергается: механическому абразивному воздействию; воздействию переменного по величине и направлению магнитного поля, которое благоприятно отражается на эксплуатационных свойствах поверхностного слоя изделий.

Это обстоятельство позволяет магнитную обработку выделить в самостоятельный способ упрочняющей обработки [7].


1. Разновидности магнитно — абразивной обработки


1.1 Удаление заусенцев




Рисунок 10.1 — Схема МАО по удалению заусенцев


Заготовка, совершая движение осцилляции в вертикальном направлении, двигается поступательно со скоростью в межполюсном пространстве электромагнита, заполненном ферромагнитным абразивным порошком.

Таким способом на заготовках из стали марки 10Х18Н9Т исходные заусенцы (после вырубки) высотой 0,2...0,4 мм удаляются полностью за 12...15 с машинного времени.

Ферромагнитный абразивный порошок – крошка закаленного чугуна зернистостью 1000/630 мкм.


1.2 Скругление кромок и удаление заусенцев в рассверленных

отверстиях.





Рисунок 10.2 — Схема скругления кромок

1 – пластина; 2 – заготовка;

3 – ферромагнитный абразивный порошок;


Пластина 1 с заготовкой 2 устанавливается в межполюсное пространство электромагнита. Туда же засыпается ферромагнитный абразивный порошок.

Пластина вместе с заготовкой совершает рабочее движение – осцилляцию с частотой с-3. Один полюс электромагнита вращается с частотой n =12...23 с-3. При вращении он увлекает вместе с собой ферромагнитный абразивный порошок 3, осуществляющий удаление заусенцев и скругление кромок [Патент 112092 ГДР].


1.3 Очистка катаной проволоки от окалины





Рисунок 10.3 — Схема очитки проволоки

1 – проволока; 4 – воронка подвижная;

2 – бункер для абразивного порошка; 5 – электропривод;

3 – воронки неподвижные; 6 – электромагнитная катушка.


Проволока 1 с высокой скоростью протягивается через воронки 3 и 4, заполняемые ферромагнитным абразивным порошком из бункера 2.

Воронки (не магнитные) размещены внутри электромагнитных катушек 6, питаемых постоянным током.

Для повышения интенсивности очистки проволоки нижнюю воронку 4 приводят во вращение с помощью электропривода 5.


1.4 Очитка печатных плат


В процессе изготовления и последующей эксплуатации на печатных платах (на медном покрытии) появляются оксидные пленки, которые ухудшают их электропроводность. Периодически оксидную пленку необходимо удалять. Для этого применяется следующий способ (рисунок 10.4):





Рисунок 10.4 — Схема очистки печатных плат

1,2 – полюсы электромагнита; 3 – печатная плата;

4 – ферромагнитный порошок.


Полюсы электромагнита выполнены в виде рифленых валиков 1 и 2, вращающихся с определенной окружной скоростью навстречу друг другу. В зазоре между ними протягивается загрязненная печатная плата 3, на которую подается ферромагнитный порошок 4. За счет магнитных сил порошок постоянно находится на ведущем валике 1 и удаляет оксидную пленку с печатной платы 3.


1.5 Получение рельефных изображений на поверхностях




Рисунок 10.5 — Схема получения рельефных изображений на поверхностях

1 – соленоид; 5 – форма;

2 – немагнитная труба; 7,10 – полюсы электромагнита;

3,6 – сердечники; 8 – шаблон;

4 – заготовка; 9 – заготовка.


Внутри соленоида 1 размещают немагнитную трубу 2 с вмонтированными в ней сердечниками 3 и 6. Над заготовкой 4 из хрупкого материала располагают форму 5, полость которой своим контуром повторяет контур будущего рельефного изображения. Полость заполняют кусочками постоянных магнитов. Поверхность каждого кусочка покрыта абразивным слоем.

При подключении соленоида к источнику переменного тока магнитики внутри полости формы 5 получают вертикальные перемещения и производят абразивную обработку. (Это устройство может быть использовано для сверления сквозных отверстий в хрупких материалах).

Напряженность магнитного поля составляет 10...100 А/м, а частота импульсов – 104...105 Гц.


Рисунок 10.5 – в.

Здесь заготовку 9 с шаблоном 8 помещают между вращающимися полюсами электромагнитов 7 и 10. Пространство между обрабатываемой поверхностью и верхним полюсом заполнено ферромагнитным абразивным порошком. Заготовке сообщают возвратно — поступательное движение. При этом порошок осуществляет удаление определенного припуска с участков верхней поверхности заготовки, не защищенных шаблоном.


1.6 Измельчение материалов


Установка для измельчения материалов устроена следующим образом.




Рисунок 10.6 — Схема устройства для измельчения материалов

1 – соленоид; 2 – сердечник; 3 – контейнер.


Внутри соленоида 1 размещается сердечник 2 и на нем контейнер 3 из немагнитного материала.

В контейнер помещают смесь измельчаемого материала и постоянных магнитов с абразивным покрытием. При включении переменного магнитного поля магнитным частицам сообщается движение со значительными амплитудами. В контейнер дополнительно подают циркулирующую жидкость.

С помощью наложения магнитного поля можно интенсифицировать галтовку, виброабразивную, пескоструйную обработку.

Например, при включении электромагнита 1 (рисунок 10.7), охватывающего вибрирующий контейнер 2, импульсное или вращающееся магнитное поле препятствует движению ферромагнитных заготовок вместе с абразивной средой.





Рисунок 10.7 — Схема установки для интенсификации обработки с помощью наложения магнитного поля

1 – электромагнит; 2 – контейнер; 3 – вибратор.


В результате увеличивается скорость перемещения абразивных элементов относительно заготовок и увеличивается производительность виброабразивной обработки.

В случае немагнитных заготовок для получения аналогичного эффекта абразивная среда должна обладать ферромагнитными свойствами.

Наиболее распространенной областью применения магнитно-абразивной обработки (МАО) является снижение шероховатости на обрабатываемых поверхностях с одновременным повышением качественных характеристик поверхностного слоя.

Совокупность способов, преследующих именно эти цели, называется магнитно-абразивным полированием (МАП).


2. Магнитно-электрическое шлифование


Сущность магнитно-электрического шлифования (МЭШ) заключается в том, что электропроводный шлифовальный круг вводится в контакт с обрабатываемой поверхностью детали, а на круг и деталь подается постоянный электрический ток, причем зона обработки помещается в магнитное поле, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен вектору электрического тока. Деталь и шлифовальный круг приводятся во вращение с разной угловой скоростью.




Рисунок 10.8 — Схема магнитно-электрического шлифовани.


Физическая сущность МЭШ заключается в следующем:

1) При контакте инструмента-круга с поверхностью обрабатываемой детали замыкается электрическая цепь «круг-деталь», при этом происходят все физические явления, свойственные контактной магнитно-электрической обработке (МЭО) (разогрев поверхности, ее размягчение, расплавление, выброс расплава и пластичного материала).

2) При контакте абразивного круга с обрабатываемой поверхностью образуется стружка, которая по мере движения зерна увеличивается и замыкает межэлектродный промежуток δ между деталью и кругом.




Рисунок 10.9 — Схема взаимодействия зерна круга с деталью


Такое короткое замыкание приводит практически к мгновенному ее расплавлению, распылению магнитным полем и удалению продуктов расплава с большой скоростью из зоны обработки, при этом очищается зерно и круг не засаливается, а расплав нагревает и обрабатывает набегающую поверхность детали.

При подобном явлении сзади стоящего (последующего) зерна расплав и пластичный материал создают дополнительную опору задней поверхности зерна, увеличивая режущую способность, так как может воспринимать большее усилие.

Исследованием было установлено, что абразивные зерна обладают пьезоэлектрическим эффектом (изменением объемов при наложении разности потенциалов; либо изменение потенциала при его деформации).

Так как процесс протекает при импульсном токе разных частот и гармоник, то зерна вибрируют, осциллируя с той же частотой, что интенсифицирует процесс шлифования, улучшает качество поверхности и изменяет физико-механические свойства.

Пользуясь этим эффектом, можно управлять процессом МЭШ, так как наибольший импульс происходит при разрушении зерна.

Если звук усиливать через усилитель, то можно услышать как зерно «кричит», что сигнализирует о его предельной режущей возможности.

Так как часто в качестве абразивного материала шлифовальных кругов используется электрокорунд (Al2O3-рубин), то при наложении электрического потенциала магнитного поля происходит возбуждение энергии кристалла (его «накачка»), следовательно, он может излучать кванты энергии.

Это в свою очередь воздействует на обрабатываемую поверхность, интенсифицирует процесс, дополнительно снимает материал детали и приводит к изменениям физико-механических свойств поверхности.

Все эти основные факторы позволяют вести процесс шлифования с производительностью значительно выше производительности обычного шлифования.


2.1 Особенности абразивного резания при магнитно абразивном полировании


Схема перемещения зерен порошка в рабочей зоне при наружном круглом полировании дана на рисунке 10.10:





Рисунок 10.10 — Схема перемещения зерен порошка в рабочей зоне


Заготовка 1 размещается между полюсами магнитного индуктора. Пространство между полюсами индуктора частично или полностью заполнено магнитно-абразивным порошком. Это — рабочая зона. Пространство между полюсами индуктора и обрабатываемой поверхностью называется рабочим зазором.

Порция магнитно-абразивного порошка при включении магнитного поля удерживается силами магнитного поля в рабочем зазоре, оказывается прижатой к обрабатываемой поверхности и при вращении заготовки относительно индуктора (или наоборот) осуществляет полирование.

При этом удаляется припуск и формируется поверхность с новым микрорельефом и измененными физико- механическими свойствами поверхностного слоя.

Механизм образования резания (зафиксированный с помощью скоростной киносъемки) сводится к следующему.

Вся порция порошка в рабочем зазоре под действием сил трения со стороны двигающейся заготовки смещается к выходу из рабочего зазора и уплотняется, встречая там основное противодействие со стороны магнитного поля.

Силы трения между зернами и поверхностью полюса помогают магнитному полю удерживать порошок внутри рабочего зазора. Не связанные между собой зерна порошка перемещаются внутри рабочего зазора.

В частности, граничащие с заготовкой зерна «а» медленно двигаются к выходу из рабочего зазора. Скорость зерна значительно меньше скорости обрабатываемой поверхности. При скорости обрабатываемой поверхности в пределах 0,...2,1 м/с скорость зерна составляет всего лишь 0,01...0,02 м/с, то есть меньше в 60...105 раз.

С учетом этого отношения можно принять, что скорость резания – это есть разность между скоростями обрабатываемой поверхности и зерна.

Подойдя к границе рабочего зазора, каждое из зерен «а» может либо остановиться (совершая здесь колебательные движения вдоль дуги окружности), либо выйти из рабочего зазора вместе с обрабатываемой поверхностью.

При небольшой частоте вращения заготовки эти зерна могут переходить в противоположный зазор вместе с вращающейся поверхностью заготовки.

При увеличении скорости заготовки на переходящие зерна действуют увеличенные центробежные силы, которые совместно с магнитными силами заставляют переходящие зерна отрываться от заготовки и оседать на нерабочих поверхностях полюсов.

Разбрасывание зерен является одной из причин постепенного снижения интенсивного удаления припуска с увеличением длительности полирования.

Свободные места зерен «а» могут занимать зерна «в» (кратковременно) из более глубоких слоев порошковой массы.

На каждое зерно действует сила резания Рz (если зерно внедрилось в поверхность и осуществляет микрорезание), либо силы трения Fтр.




Рисунок 10.11 — Силы, действующие на зерно


Эти силы стремятся увлечь контактирующее зерно вместе с двигающейся поверхностью и повернуть его относительно собственного момента инерции. Движению зерна вместе с поверхностью заготовки и их поворотам препятствуют окружающие зерна, которые под действием сил магнитного поля образуют достаточно плотную массу.

Если сила резания превысит сопротивление повороту зерна (из-за увеличенной микронеровности), то такое зерно поворачивается и в контакт с заготовкой вступают его новые участки и новые режущие кромки.

Именно этими поворотами объясняется прерывистый характер рисок — следов абразивного резания на поверхности заготовки.

При сообщении порошковой массе дополнительных движений с помощью осцилляции (колебаний) заготовки (или полюсов) или пульсирующего магнитного поля контакт зерен с заготовкой приобретает более прерывистый характер.

Силы трения Fтр уменьшаются и порошок лучше удерживается магнитными силами в рабочем зазоре.

Одновременно увеличивается подвижность зерен внутри рабочих зазоров и интенсифицируется вступление в контакт с заготовкой новых режущих кромок. Это явление называется самозатачиванием порошковой массы.

Естественно, в процессе полирования происходит постепенное разрушение зерен путем вырывания из ее мягкой ферромагнитной основы зерна (матрицы) вкрапленных в нее режущих центров или путем истирания матрицы. При этом тоже происходит обнажение новых режущих кромок.

Зерна ферромагнитного порошка в процессе полирования контактируют с заготовкой разными участками своей поверхности, отличающимися твердостью и геометрической формой, а значит и разной способностью производить резание.

Обработанная поверхность представляет собой совокупность рисок — следов резания и выглаженных участков. Направление рисок определяется скоростями рабочих движений заготовки и магнитного индуктора.


2.2 Стружкообразование


Установлено, что 9...15% объема царапин удалено диспергированием (лат. Dispergo-рассеиваю), тонким измельчением металла в стружку, а остальной объем металла вытеснен из царапин пластически в боковые навалы.

Соотношение размеров стружки — длины и толщины, лежит в пределах 5...20. На их поверхности видны отдельные сильно деформированные элементы. Следов оплавления стружек не обнаружено.

При одинаковых размерах радиуса кривизны стружек МАП на порядок меньше (т.е. в 10 раз), чем у стружек, полученных при шлифовании абразивной лентой.

Это косвенно свидетельствует о более высокой степени пластических деформаций измельченного металла в процессе магнитно-абразивного полирования.

Результатом пластического деформирования поверхности является повышение твердости тонкого приповерхностного слоя и образование в нем остаточных напряжений сжатия.

В теории абразивной обработки установлено, что стружкообразование возможно при определенном соотношении между глубинно h внедрения режущих вершин зерен абразивного инструмента в обрабатываемую поверхность и радиусов округлений этих вершин.

Для инструментальной стали У8 (отожженной) это соотношение лежит в следующих пределах: .

При меньшем соотношении возможно лишь пластическое или упругое деформирование.

Для МАП характерно внедрение зерен h≤0,1...0,4 мкм. Для порошка 23АМ40Fe (белый электрокорунд с зернистостью М40) вершин зерен должен составлять 3...4 мкм.

Образование стружки при МАП сталей (в отличие от шлифования) происходит при ε≤0,005...0,13, то есть при более неблагоприятных условиях.

И силы, необходимые для стружкообразования, при МАП оказываются меньше, чем при шлифовании.

Для МАП ферромагнитных сталей давление порошка на обрабатываемую поверхность составляет 0,3...0,2 МПа.

При пересчете этих давлений к отдельному контактирующему зерну усилие, определяющее внедрение зерна в обрабатываемую поверхность, может составлять 0,025...0,125 Н.

Б.Г. Македонски, используя формулу

Н (10.1)

где:

=3,14 – постоянный коэффициент, учитывающий свойства материала;

=0,25 – соотношение между глубиной h и ;

=8240 Па;

=6...12 мкм – радиус скругления вершин зерен.


при шлифовании стали Ш15Х, определил, что необходимая для стружкообразования сила должна находиться в пределах =0,23...0,93 Н, что значительно больше, чем среднее значение сил, действующих при магнитно-абразивном полировании.

Особенности стружкообразования МАП объясняются повышенной пластичностью обрабатываемых сталей в присутствии переменного магнитного поля.

С.Т. Кишкин и А.А. Клышин опубликовали обнаруженное ими снижение на 250 % напряжения текучести στ углеродистой стали в присутствии поперечного к направлению нагрузки магнитного поля величиной В=0,005 Тл.

Присутствие в СОЖ поверхностно-активных веществ снижает поверхностную энергию металла, снижает работу, необходимую на разрушение и пластическое деформирование поверхности, увеличивая микротрещины, предразрушает поверхностный слой.

В этом случае производительность МАП резко увеличивается.

Увеличение скорости резания (скорости деформации) сопровождается упрочнением разрушаемого материала. Глубина внедрения зерен порошка в обрабатываемую поверхность автоматически уменьшается и съем металла на одинаковом пути резания уменьшается.

С учетом изложенных особенностей МАП глубина внедрения зерен порошка в обрабатываемую поверхность может быть выражена зависимостью степенного вида:


мкм (10.2)


где – коэффициент, учитывающий изменение прочностных свойств поверхностного слоя по сравнению с основным обрабатываемым материалом (в результате воздействия СОЖ, скорости деформации, предварительного наклепа...);

– сила, прижимающая зерно, Н;

r – радиус вершин зерна, мкм;

Н – твердость обрабатываемого материала;

– коэффициент, учитывающий изменение твердости материала в присутствии переменного магнитного поля;

m,r,s – показатели степени. [7]


3. Контрольные вопросы


1. Когда начали применять магнитное поле для абразивной обработки материалов?

2. Разновидности магнитно-абразивной обработки.

3. Какова сущность магнитно-электрического шлифования?

4. В чем состоят особенности абразивного резания при магнитно-абразивном полировании?

1   2   3   4   5   6   7



Скачать файл (4770.3 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации