Full Text

В магнитно-абразивном полировании (МАП) роль режущего инструмента выполняет ферромагнитный абразивный наполнитель (далее по тексту - наполнитель), находящийся в рабочем зазоре и удерживающийся силами магнитного поля, наведенного магнитным индуктором [1, 2]. Порция наполнителя оказывается прижатой к обрабатываемой поверхности, и при движении заготовки относительно магнитного индуктора осуществляется полирование. При этом удаляется небольшой слой материала (20-500 мкм) и формируется новый поверхностный слой с измененными физико-механическими свойствами и микрорельефом (Ra до 0,08-0,01 мкм) [3]. МАП поверхностей в зависимости от выбранных значений технологических параметров может иметь характеристики как способа размерной обработки связанным абразивом, так и безразмерной обработки свободным абразивом [4, 5]. Особенностью МАП является непрерывное вступление в процесс резания новых режущих кромок из-за перемещений зерен внутри рабочих зазоров, их поворотов и переходов, что можно называть самозатачиванием [6]. Но в процессе полирования необратимо происходит постепенное снижение производительности, связанное с разрушением зерен. Притупление режущих кромок, разрушение зерен, общее уменьшение зернистости в конечном счете вызывают возникновение дефектов в виде невыведенной исходной шероховатости [7]. Участок с таким дефектом после МАП поверхности образца из сплава Д16 при увеличении в 50 раз представлен на рис. 1. Рис. 1. Участок с невыведенной шероховатостью Зерна наполнителя в процессе МАП контактируют с заготовкой разными участками своей поверхности с различной твердостью и геометрической формой. Очевидно, что для эффективного, длительного резания вершины зерен абразивного компонента наполнителя должны иметь малые радиусы. У композитных наполнителей можно изменять как размеры зерен, так и радиусы при вершине, тем самым управлять режущими свойствами. Увеличение зернистости наполнителя означает увеличение размеров и массы зерен, однако при большой зернистости наполнителя снижается количество зерен, одновременно контактирующих с обрабатываемой поверхностью и участвующих в резании. Высокие режущие свойства наблюдаются у наполнителей зернистостью 125-200 мкм. Режущие свойства при прочих равных условиях зависят также от формы зерен, их структуры и прочности. Зерна наполнителя могут принимать изометрическую форму (близкую к сфере), осколочную удлиненную форму, а также пластинчатую форму. Изометрическая форма зерен способствует перемешиванию наполнителя в рабочих зазорах, вступлению в работу каждого зерна разными вершинами и поддерживает, таким образом, высокую производительность резания. Зерна осколочной удлиненной формы затрудняют самозатачивание порошка путем перемешивания, но имеют в пять раз большую начальную производительность, так как сначала контактируют наибольшей своей гранью, при этом период стойкости такого наполнителя небольшой. Зерна пластинчатой формы из-за низкой прочности быстро разрушаются [8-11]. Для длительного сохранения режущих свойств зерна должны иметь форму, близкую к изометрической, с несколькими острыми вершинами, торчащими в разные стороны. Такие зерна легче изменяют свое положение под действием совокупности сил в рабочем пространстве. При этом в контакт с заготовкой входят новые вершины и кромки [8]. На рис. 2 представлена предпочтительная, способствующая эффективному длительному резанию форма зерен наполнителя (изометрическая) на основе зеленого карбида кремния (зернистость 200 мкм) при увеличении в 50 раз. Рис. 2. Изометрическая форма зерна наполнителя Длительное сохранение режущей способности как отдельного зерна, так и порции наполнителя характеризует инструментальную стойкость, которая является важнейшим эксплуатационным показателем, влияющим на технико-экономическую эффективность производства. Стойкость определяет расход инструмента, затраты на подготовку и обслуживание, а также влияет на качество обработки заготовок. Под стойкостью порции наполнителя, по аналогии с известными режущими инструментами [12], подразумевается суммарная продолжительность резания порцией наполнителя до замены из-за снижения режущих свойств ниже допустимого предела. Стойкость порции наполнителя зависит не только от магнитных и механических свойств компонентов, но и от режимов и условий МАП. В большинстве схем полирования порция наполнителя активно перемешивается и длительно сохраняет свои режущие свойства, что обусловлено эффектом самозатачивания. В других схемах перемешивание порции наполнителя в рабочем зазоре практически отсутствует и в резании участвуют одни и те же зерна, которые находятся в контакте с заготовкой и сравнительно быстро исчерпывают режущие свойства. Причинами постепенного снижения интенсивности обработки порцией наполнителя являются: разделение магнитного и абразивного компонентов, увеличение прочностных характеристик обрабатываемой поверхности по мере удаления дефектного слоя, слабое удерживание наполнителя в рабочем зазоре, неверный подбор зернистости и (или) материалов компонентов наполнителя, насыщение массы наполнителя продуктами обработки [1]. Перечисленные факторы действуют, как правило, одновременно с преобладанием того или иного из них в конкретных условиях МАП. Количественную оценку продолжительности резания, при которой режущие свойства порции наполнителя достигнут нижнего допустимого предела, целесообразно осуществлять с помощью параметров, характеризующих особенности МАП. Независимо от схем МАП и условий работы наполнителя (микрорезание, микровыглаживание, пластическое деформирование [13, 14]) основой для оценки стойкости наполнителя должны быть основные закономерности процесса МАП, связанные с количеством срезанного материала с заготовки и достигнутыми параметрами шероховатости. В этом случае критериями стойкости будут служить максимально допустимые параметры шероховатости и минимальный съем материала по истечении заданного времени МАП. Определение стойкости порции наполнителя является элементом разработки технологической операции МАП. Определить стойкость порции наполнителя необходимо для разработки технологической операции МАП. Когда режимы МАП уже определены, для партии заготовок и достижения стабильных результатов следует назначить основное время to и стойкость порции наполнителя Т. Установление Т не требуется, если для полирования каждой последующей заготовки используется новая порция наполнителя, которая за время to не изменит режущих свойств. Методика определения to и Т при полировании относительно мелких и крупных заготовок различна. В случае если одной порцией наполнителя последовательно полируют несколько мелких заготовок, полированием одной заготовки определяют основное время to. Полирование при этом необходимо прерывать через короткие промежутки времени, производя измерения параметров шероховатости. По результатам проведенных измерений строится график зависимости контрольных параметров от продолжительности полирования τ. График приведен на рис. 3 (для построения графика можно ограничиться контролем значений шероховатости по параметру Ra). Рис. 3. График изменения контрольных параметров Полирование при этом должно продолжаться до достижения нижней границы по параметру шероховатости Ra с минимальной заданной величиной - Ramin. Время, необходимое для достижения Ramin, принимается за основное время на данной операции: (1) После построения графика этой же порцией наполнителя последовательно полируют последующие заготовки, продолжительность обработки каждой из которых также равна to. Контроль Ra должен осуществляться только в конце обработки каждой последующей заготовки. Ввиду снижения режущих свойств используемой порции наполнителя параметр полученной шероховатости Ra будет постепенно ухудшаться. И после нескольких заготовок полученный параметр шероховатости Ra достигнет верхнего заданного предела Ramax. Таким образом, время, затраченное на МАП k заготовок, будет определять стойкость порции наполнителя: (2) Если не представляется возможным установить Т вышеизложенным методом из-за большого объема порции наполнителя и предполагаемых значительных затрат времени, то можно найти величину стойкости другим путем. В этом случае, при определении to вместе с контролем параметра Ra нужно последовательно осуществлять измерение съема материала q (мг/см2) взвешиванием заготовки. После чего на графике (см. рис. 3) построить кривую для второго контрольного параметра q в зависимости от продолжительности полирования. Величина съема материала q также реагирует на изменение режущих свойств наполнителя. По эмпирическим значениям q, используя метод наименьших квадратов [15], по формуле (3) [16] можно определить исходную величину съема материала q1 (мг·мин/см2) и показатель m, который является количественной оценкой способности наполнителя сохранять свои режущие свойства в процессе МАП: (3) После построения кривых и согласно графику устанавливают величину минимального съема материала qmin, необходимую для получения верхней границы по параметру шероховатости Ra с максимальной заданной величиной Ramax. Производительность МАП в любую минуту qi может быть определена производной от функции съема материала по времени: (4) Необходимо также учитывать, что в случае выполнения неравенства (5) полирование последующих заготовок этой порцией наполнителя не обеспечит получения шероховатости в пределах Ramin < Ra < Ramax. В этом случае порция наполнителя подлежит замене, и стойкость будет определяться по следующей формуле: (6) После подстановки выражений (5) и (6) в формулу (4) получим выражение для расчета стойкости порции порошка: (7) В случае МАП крупных заготовок вышеизложенная методика не может быть использована, так как необходимо определить период замены порции наполнителя при полировании всей площади поверхности заготовки. Заготовка полируется с подачей магнитного индуктора вдоль поверхности, поэтому участки поверхности будут обработаны с разной интенсивностью из-за снижения режущих свойств порции наполнителя. В этой связи предлагается другая методика определения стойкости при обработке крупных заготовок. Условия и режимы МАП могут быть испытаны на контрольном образце. При этом на поверхности контрольного образца устанавливают вставные элементы, обрабатываемая поверхность которых расположена на одном уровне с поверхностью контрольного образца. Материал и шероховатость поверхности испытуемого контрольного образца должны соответствовать исходной реальной заготовке. МАП осуществляется с подачей магнитного индуктора вдоль обрабатываемой поверхности, но при значительно меньшей длине хода. Измерения производят только на вставных элементах. Требуемой шероховатости на большой площади поверхности можно достичь за один проход магнитного индуктора с небольшой скоростью подачи vпр или за несколько проходов с ускоренной подачей. В первом случае необходимо экспериментально установить на контрольном образце величину скорости подачи vпр, при которой за один проход с одной порцией наполнителя обеспечится Ramin. Обрабатывая этой же порцией наполнителя последовательно несколько вставных элементов, можно определить порядковый номер образца N, на котором за один проход магнитного индуктора обеспечится Ramax. Длина одного прохода магнитного индуктора в эксперименте - S. Тогда длина поверхности заготовки, на которой одной порцией наполнителя обеспечится шероховатость в заданных пределах, определится по формуле (8) Отсюда стойкость порции наполнителя будет (9) Во втором способе МАП (за несколько проходов с ускоренной подачей) подачу vпр магнитного индуктора необходимо назначать по рекомендациям или на основании опыта. Экспериментально на контрольном образце получают зависимости съема материала и параметра шероховатости от количества проходов i: (10) (11) С помощью зависимости (11) можно определить количество проходов магнитного индуктора io, необходимое для получения шероховатости Ramin. Основное время полирования to с учетом io можно определить по формуле (12) Производительность МАП при каждом последовательном ходе магнитного индуктора qi может быть определена производной от функции съема материала по количеству проходов: (13) Введем коэффициент допускаемого снижения производительности МАП порцией наполнителя ε, который определяется по формуле (14) После подстановки выражения (14) в формулу (13) определим количество проходов i, после которых происходит снижение производительности МАП порцией наполнителя: (15) Поскольку длина каждого прохода магнитного индуктора S и скорость подачи vпр экспериментально установлены, то стойкость порции наполнителя будет определяться по формуле (16) Показатель m, устанавливаемый экспериментально во всех случаях, может служить оценочной характеристикой абразивных свойств определенного состава наполнителя. При сравнении различных составов наполнителей при полировании деталей из одного материала и с одинаковой технологической наследственностью увеличенные значения показателя m будут характеризовать повышенную стойкость. Определение показателя m разных составов наполнителей позволит установить состав с наибольшей стойкостью порции. Такой наполнитель может работать в более тяжелых с точки зрения нагрузок условиях. Изложенная методика расчета инструментальной стойкости порции наполнителя может быть использована при разработке операций МАП с целью достижения стабильных показателей качества партии деталей и определения момента критического износа порции для ее замены.

About the authors

D. A Kungurov

Izhevsk State Technical University after M.T. Kalashnikov

Email: d_kungurov@mail.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 69

PDF (Russian) - 22

Refbacks

• There are currently no refbacks.