72

Раздел 4. Магнитная обработка

Раздел содержит две темы: магнитно-абразивная обработка; магнитно-импульсная обработка. Следует изучить технологические возможности магнитных методов обработки и конкретные области их рационального применения при изготовлении машиностроительных изделий. Сведения об инструментах и оборудовании будут необходимы при выполнении контрольной работы. После изучения раздела следует ответить на вопросы для самопроверки и вопросы теста № 3.

4.1. Магнитно-абразивная обработка

Магнитно-абразивная обработка (МАО) состоит в обработке заготовки абразивным способом при формировании абразивного инструмента из магнитно-абразивного порошка или магнитнореологической жидкости магнитным полем в зоне резания. Наличие магнитного поля в зоне обработки обусловливает индуцирование в движущейся токопроводящей заготовке токов. В результате этого одновременно с абразивной обработкой происходят электрохимические процессы.

В качестве инструмента используют магнитно-абразивные порошки и магнитно-реологические жидкости с абразивным наполнителем.

При обработке заготовок получили распространение разновидности магнитно-абразивной обработки с магнитно-абразивными порошками на поверхности магнитного индуктора (цилиндрического или торцевого), в рабочем зазоре между полюсами магнитной системы. В последнем случае, в зависимости от соотношения размеров заготовки и магнитной системы, различают варианты, когда порошок находится: только в зазоре под полюсами магнитной системы и обрабатывается часть поверхности заготовки; в рабочей зоне между полюсами, когда заготовка целиком располагается в порошке.

Заготовка может иметь вращательное или возвратно-поступательное движение, обеспечивающее обработку. Кроме того, магнитное поле может использоваться для создания движения относительно заготовки несформированного порошка.

73

На рис. 4.1.1 приведены схемы магнитно-абразивной обработки и возможные перемещения заготовки в магнитном поле.

Главное движение осуществляется с частотой n, определяющей скорость обработки Vn; подача заготовки осуществляется со скоростью Vs. Кроме того, осевые перемещения заготовки или инструмента nос улучшают обработку и самозатачиваемость зерен абразива. Движение со скоростью Vn позволяет за счет дополнительного давления порошка повысить производительность обработки.

Рис. 4.1.1. Схемы МАО с размещением магнитно-абразивного порошка: а – на активной поверхности магнитного инструмента; б – в рабочих зазорах δ; в – в рабочей зоне

Магнитное поле может быть:

-постоянным - созданным магнитной системой постоянного тока или постоянными магнитами;

-переменным - созданным магнитной системой, питающейся пульсирующим или переменным током;

-бегущим или вращающимся, созданным магнитной системой трехфазного тока.

Взависимости от роли, которую выполняет магнитное поле, МАО можно разделить на следующие группы:

1)магнитное поле формирует из порошковой ферромагнитной абразивной массы своеобразный режущий инструмент и обеспечивает необходимые силы резания, а движение резания сообщается обрабатываемой заготовке обычным приводом;

2)магнитное поле в дополнение к двум первым функциям,

74

присущим полированию первым способом, передает режущему инструменту движение резания от перемещающихся полюсов магнитов;

3)магнитное поле обеспечивает силы резания и сообщает непосредственно ферромагнитной массе движение, необходимое для резания.

а)				б)
							в)

г)
		д	)

Рис. 4.1.2. Схемы МАО: а - первым способом; б, в, г - вторым способом; д - третьим способом

Схема первого способа МАО наружной поверхности большого диаметра Dz, заготовки 3 показана на рис. 4.1.2, а. Данным способом успешно могут обрабатываться как наружные, так и внутренние поверхности вращения. Магнитный поток пронизывает в радиальном направлении стенку заготовки и рабочий зазор, удерживая в нем абразивный порошок и обеспечивая необходимые силы резания. Главным движением резания является вращение заготовки с частотой n. Дополнительное движение подачи s вдоль оси заготовки сообщается либо электромагниту, либо заготовке.

Реализация МАО вторым способом показана на рис. 4.1.2. (схемы б и в) предназначена для полирования плоскостей.

На схеме б заготовка 2 из немагнитного материала, а электромагниты 1, расположенные равномерно по периферии цилиндрического корпуса

75

приспособления, удерживают ферромагнитный абразивный порошок 3 и образуют своеобразный абразивный инструмент с регулируемой жесткостью крепления режущих элементов.

В случае, показанном на схеме в, магнитный поток от электромагнита 1 замыкается через обрабатываемую заготовку 2 из магнитопроводящего материала и рабочие зазоры, заполненные ферромагнитным абразивным порошком 3.

Полирование отверстия в корпусной детали 2 из магнитопроводящего материала можно осуществить порошком 3 путем принудительного вращения с частотой n электромагнита 1 и его осевой подачи (рис. 4.1.2, г).

Схема МАО третьим способом изображена на рис. 4.1.2, д Заготовка 1, закрепленная на вращающемся с частотой n шпинделе, опущена в ванну, которая заполнена магнитоабразивной суспензией 3. Переменное по величине и направлению магнитное поле, создаваемое магнитом 2, сообщает абразивной массе рабочее движение резания. Для равномерной обработки заготовка 1 медленно поворачивается.

Магнитно-абразивную обработку можно использовать для обработки магнитомягких и немагнитных материалов. В процессе обработки припуск снимается резанием абразивными зернами, удалением пленок с поверхностей заготовки и их выглаживанием. При этом обрабатывающие зерна абразива находятся под действием инерционных, центробежных и магнитных сил, а также не контактирующего с поверхностью магнитноабразивного порошка, уравновешиваемых силами резания. Эта взаимосвязь определяет глубину резания.

Затупление работающих кромок зерен приводит к повороту зерен и непрерывной смене режущих вершин и кромок, то есть происходит самозатачивание порошка. Это явление можно упорядочить осцилляцией заготовки (использованием пульсирующего магнитного поля).

Движение осцилляции улучшает качество поверхности, повышает срок работы порошка и производительность обработки.

На производительность и качество обработки влияют также форма рабочей зоны; наличие на полюсах или заготовке концентраторов магнитного потока (пазов, выступов и т.д.); вид порошка; размеры и форма зерен; химический состав СОЖ.

76

Жесткость инструмента при обработке невелика, поэтому точность и форма поверхностей заготовки должны обеспечиваться на предыдущих операциях. Во многих случаях для магнитно-абразивной обработки специальных припусков не оставляют.

Для уменьшения шероховатости с Rа = 0,3...0,6 мкм до Rа = 0,04...0,08 достаточен припуск 4...5 мкм. При этом погрешность диаметральных размеров может быть ±(1...1,5) мкм и значительно уменьшаются волнистость поверхности, некруглость и огранка.

4.1.1. Инструмент - рабочая среда

Рабочей средой и одновременно инструментом магнитно-абразивной обработки являются абразивные порошки, зерна которых обладают ферромагнитными свойствами. Требования, которым должны удовлетворять магнитно-абразивные порошки приведены в приложении 5, табл. 5.1 пособия «Техническая физика».

Для МАО обработки разработаны специальные ферромагнитные абразивные материалы — ферриты и керметы. Ферриты — это неметаллические магнитные материалы, представляющие собой твердые растворы оксида железа Fе2Оз с оксидами двухвалентных металлов (Ni, Мп, Zn, Mg, Сu и т. д.). После термической обработки (обжига) ферриты обладают высокой твердостью. Керамические материалы — керметы — представляют собой композиции металлов и оксидов, получаемые методом порошковой металлургии (смешивание, прессование, спекание, механическое дробление в порошок). Различают керметы, изготовленные на базе твердых тугоплавких соединений (карбидов, боридов, силицидов), и оксидные (на базе электрокорунда). Для металлической связки керметов используются Ni, Co, Fe, Cr.

Зерна получают в трех видах: в виде однородного по составу сплава или химического соединения; с ферромагнитной основой и абразивными включениями; с абразивной основой и ферромагнитными включениями. Выпускается промышленностью ряд порошков, рекомендации по их использованию приведены в табл. 5.2 пособия «Техническая физика».

Зерна абразивного порошка имеют величину 100…300 мкм. При работе порошок периодически заменяют в связи с постепенным снижением его режущих свойств.

77

При магнитно-абразивной обработке используют смазочноохлаждающие жидкости (СОЖ), роль которых – интенсификация обработки за счет химически активных и поверхностно-активных добавок, за счет увеличения подвижности и самозатачиваемости зерен, предотвращения адгезии продуктов разрушения зерен и материала на обрабатываемой поверхности.

Виды используемых СОЖ приведены в табл. 5.3 пособия «Техническая физика». Расход СОЖ 0,01 дм3/с на 1 см2 обрабатываемой поверхности, контактирующей в одно и то же время с порошком. СОЖ подают в зону обработки поливом. Отработавшую СОЖ очищают в отстойниках, магнитных сепараторах и фильтрах.

4.1.2. Магнитные индукторы

Магнитные индукторы разрабатываются с учетом вида технологического процесса и его целей. Индукторы состоят из источников магнитного поля, магнитопроводов, механизмов для изменения размеров рабочей зоны, механизмов рабочего движения полюсов, устройств регулирования напряженности магнитного поля (при постоянных магнитах).

Классификация магнитных индукторов представлена на рис. 4.1.3.

Магнитные индукторы

Электромагнитные			Комбинированные			Индукторы на
	индукторы					постоянных магнитах

постоянного		пульсирующего		пульсирующего		регу-		нерегу-
тока		однофазного тока		трехфазного тока		лируемые		лируемые

Рис. 4.1.3. Классификация магнитных индукторов

Источниками магнитного поля могут быть электромагнитные системы или постоянные магниты. В таблице 5.4 (прил. 5) пособия

78

«Техническая физика», приведено сравнение параметров источников магнитного поля.

Магнитопроводы выполняют из стали Ст3, стали 10, они должны обеспечивать необходимые пути подведения магнитного потока с минимальным рассеянием.

В магнитных индукторах на постоянных магнитах используются в основном бариевые ферриты и редкоземельные магниты. Характеристики их приведены в табл. 5.5 (прил. 5) пособия «Техническая физика».

Схема индуктора и путей магнитного потока при обработке ферромагнитных и немагнитных заготовок приведены на рис. 4.1.4.

Рис. 4.1.4. Пути прохождения магнитных потоков, созданных блоком магнитов ИПМ при МАО: а - ферромагнитных, б - немагнитных заготовок (Фо - основной поток, Фр - поток рассеяния)

Размеры редкоземельных магнитов: ширина полюса l = 5…7 мм, hm =20…30 мм, ширина полюса am = (0,4…0,5)hm. Зазор δ = 0,5…1,5 мм.

При использовании электромагнитных индукторов постоянного тока по рабочей индукции в зазоре или зоне проектируют магнитную систему, рассчитывают магнитный поток и магнитодвижущую силу (МДС) намагничивающей катушки. Способы проектирования магнитной системы - традиционные.

4.1.3. Технологические процессы магнитно-абразивной обработки и средства технологического оснащения

С помощью магнитно-абразивного метода можно выполнять следующие виды обработки заготовок:

79

1.Удаление заусенцев. Обрабатываются как ферромагнитные, так

инемагнитные заготовки. Схема обработки приведена на рис. 4.1.5.

2.Полирование режущей части инструментов. Схема обработки изображена на рис. 4.1.6.

Рис. 4.1.5. Удаление заусенцев:		Рис. 4.1.6. Скругление кромок:
1 - заготовка, 2 – полюсы магнита,		1 - заготовка, 2 – полюсы магнита, 3 –
3 - порошок		порошок, 4 - державка

3. Удаление окалины с проката. Схема обработки приведена на рис. 4.1.7, но вращается не заготовка, а магнитная система вокруг проката.

Рис. 4.1.7. Удаление окалины с проката: 1 - проволока, 2 – воронка, 3 - порошок, 4 – электромагнит

80

4.Очистка печатных плат от оксидов. Схема обработки представлена на рис. 4.1.8.

5.Упрочнение поверхностей заготовок. Осуществляется по любой схеме обработки (рис. 4.1.9) за счет электрохимических факторов, сопровождающих магнитно-абразивную обработку.

Рис. 4.1.8. Очистка печатных плат:			Рис. 4.1.9. Упрочнение поверхностей:
	1 - плата, 2 – полюсы магнита, 3 –		1 - лист, 2 – рабочие ферромагнитные
	порошок		тела, 3 – резиновые чашки,
			4 - электромагниты

6. Полирование поверхностей (цилиндрических наружных и внутренних, плоских, фасонных). Осуществляется подбором необходимых режимов и порошка по схемам рис. 4.1.2. Плоскости полируются торцовым инструментом. Рекомендуемые параметры режима магнитоабразивного полирования приведены в табл. 5.6 пособия «Техническая физика». Эксперименты показали, что эффективное уменьшение шероховатости обрабатываемой поверхности происходит в течение первых 20...30 с обработки, а в дальнейшем интенсивность снижения значения параметра Ra резко уменьшается. Исходная шероховатость с Ra = 0,63... 1,25 мкм снижается до Ra = 0,04...0,08 мкм. При увеличении магнитной индукции и скорости вращения заготовки, уменьшении рабочего зазора происходит интенсивное снижение исходной волнистости и огранки. Волнистость может быть уменьшена в 8...10 раз (с 2...3 до 0,2...0,4 мкм), а огранка — в 1,5...2 раза (с 2...3 до 0,8...2 мкм).

Магнитоабразивное полирование обеспечивает высокую интенсивность съема припуска (до 1 мкм/с) при низкой температуре в зоне обработки. Поэтому в подповерхностном слое материала детали снижается

81

количество остаточного аустенита и преобладают сжимающие напряжения, отсутствуют прижоги и микротрещины.

Рис. 4.1.10. Полирование режущей	Рис. 4.1.11. Доводка лезвий резцов:
части сверл: 1 - сверло, 2 – полюсы	1 - резец, 2 – камера с порошком, 3 –
магнита, 3 – порошок	порошок, 4 – ЭМИ переменного тока

7. Хонингование. Хон выполняется с постоянными магнитами, на которых установлены абразивные бруски. Магниты обращены друг к другу полюсами одноименной полярности, что обусловливает их отталкивание и создание сил резания.

Рис. 4.1.12. Хонингование отверстий: 1 – абразивные бруски, 2 - постоянные магниты, 3 – корпус хонинговальной головки

82

8. Шлифование плоскостей. Схема процесса шлифования аналогична механической обработке резанием.

Для осуществления магнитно-абразивной обработки используют специальные станки или модернизируют универсальные металлообрабатывающие, устанавливая на них магнитные индукторы. Данные специальных станков приведены в приложении 5, в табл. 5.6 … 5.8 пособия «Техническая физика».

4.2. Магнитно-импульсная обработка

При использовании магнитно-импульсной обработки (рис. 4.2.1.) напряжение с генератора импульсов подается на инструмент-индуктор. Индуктор представляет собой одноили многовитковую катушку. Ток, проходя по индуктору, создает импульсное магнитное поле с индукцией до 100 Тл. Поле индуктирует в заготовке, находящейся под индуктором, большие токи. Взаимодействие этих токов с полем индуктора создает давление более 100 Мпа при длительности 10-5 с. и скорости деформирования заготовки 300 м/с, что позволяет обрабатывать заготовки из любых материалов. Таким образом, деформирование заготовки происходит непосредственно магнитным полем, без пуансона. Это делает возможным обработку заготовок через нетокопроводящие стенки, в камерах, в вакууме и т.д.

При обработке нетокопроводящих материалов магнитное поле должно действовать на заготовку через токопроводящий пуансон или эластичную среду.

Рис. 4.2.1. Принципиальная схема МИО: 1 – генератор импульсов тока, 2 - индуктор, 3 – заготовка, 4 - матрица

83

С помощью магнитно-импульсных установок выполняют следующие операции:

1.Обжим (сборка, отбортовка, напрессовка).

2.Раздачу (отбортовка, пробивка, сборка).

3.Обработку плоских заготовок (отбортовка, пробивка, вырубка, рельефная формовка).

Выполнение этих операций обеспечивается инструментоминдуктором. Он должен обеспечивать высокую степень использования энергии поля при преобразовании ее в работу деформации заготовки, обладать высокой электрической надежностью, механической прочностью в условиях воздействия мощных динамических сил, быть конструктивно простым. В зависимости от назначения индукторы выполняют одно- и многовитковыми, цилиндрическими и плоскими. Для обеспечения механической прочности используют заливку индукторов эпоксидными смолами с армировкой стекловолокном. Так как индукторы значительно нагреваются токами разряда, то их делают охлаждаемыми, используя зачастую полые проводники обмотки.

Для формообразующих операций магнитно-импульсной обработкой изготавливают матрицы (отбортовка, пробивка отверстий, вырубка, рельефная формовка). Матрицы выполняются из сталей 30ХГСА и стали 45

сзакалкой до HRC 38...42, а также сталей Х12М, Х12Ф1, У8А, У10А с закалкой до HRC 50...55. Для выхода воздуха в матрице делают отверстия диаметром 0,8 толщины заготовки с шагом 20...60 мм.

Вырубка выполняется матрицами из инструментальной стали, повторяя контур получаемой детали.

При штамповке немагнитных деталей используется переходник, верхняя часть которого токопроводящая. Масса переходника должна быть минимально возможной. Нижняя часть переходника может быть для разделительных и формовочных операций эластичной из полиуретана СКУПФЛ, СКУ-7Л высотой до 15 мм, для формообразующих операций – из СКУ-6Л высотой до 35 мм. Использование эластичного переходника эффективно при обработке плоских (до 0,03 м2) и трубных (диаметром до 0,1 м высотой менее 0,2 м) заготовок толщиной до 2 мм (вырубка, формовка, калибровка, получение деталей сложной формы из листовой

84

меди, алюминия, титана, никеля, молибдена, коррозионных сплавов, слюды, гетинакса и т.д.). Детали имеют точность 7...9 квалитетов, шероховатость среза Rz = 20...40 мкм. На установках с энергоемкостью 10...15 кДж при материале с σв< 300 Мпа можно пробивать отверстия диаметром 1,5...2 толщины заготовки.

В приложении 6, табл. 6.1 пособия «Техническая физика» приведены технические характеристики магнитно-импульсных установок для обработки цветных металлов, их сплавов и низкоуглеродистых сталей. Технические характеристики специализированных установок с энергоемкостью до 100 кДж приведены в табл. 6.2, а в табл. 6.3 приведены характеристики установок для обработки заготовок из тонколистовых материалов толщиной до 0,1 мм.

Магнитно-импульсная обработка металлов обладает рядом существенных технологических достоинств. К ним относятся: отсутствие движущихся частей в установках; легкость управления и регулирования мощности; несложность ухода, возможность встраивать установки в поточные линии; высокая производительность, возможность проведения различных операций изменения формы заготовок с использованием лишь одного формующего инструмента (либо матрица, либо пуансон), так как функции второго выполняет поле; возможность изготовления деталей сложных форм, получение которых обычными методами затруднительно; возможность деформирования высокопрочных металлов с предварительным нагревом их в вакууме или среде инертных газов.

Вопросы для самопроверки

1.Перечислите способы реализации МАО в зависимости от использования магнитного поля.

2.При МАО является ли материал заготовки токопроводящим?

3.За счет чего можно осуществить самозатачивание абразивных зерен?

4.Как выбирается оптимальная скорость при МАО?

5.Каким требованиям должны удовлетворять магнитно-абразивные порошки?

6.Какие виды СОЖ используются при магнитно-абразивной обработке меди и алюминиевых сплавов?

85

7.Возможно ли обеспечить упрочнение поверхности заготовки с помощью МАО?

8.Какова шероховатость поверхности после магнитно-абразивного полирования?

9.Возможна ли магнитно-импульсная обработка немагнитных материалов?

10.Из каких сталей изготавливаются матрицы для формообразующих операций магнитно-импульсной обработки?

11.Как обрабатываются токонепроводящие материалы магнитноимпульсным методом?

12.Каковы основные достоинства магнитно-импульсной обработки для технологических процессов?

13.Какие основные технологические операции выполняются электрогидроимпульсной обработкой?

14.В какой рабочей среде происходит электрогидроимпульсная обработка?

15.Каким образом можно стабилизировать процесс разряда?