Основи створення і використання порошкового магнітно-абразивного інструменту для фінішної обробки фасонних поверхонь

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ОСНОВИ СТВОРЕННЯ І ВИКОРИСТАННЯ ПОРОШКОВОГО МАГНІТНО-АБРАЗИВНОГО ІНСТРУМЕНТУ ДЛЯ ФІНІШНОЇ ОБРОБКИ

ФАСОННИХ ПОВЕРХОНЬ

Спеціальність 05.03.01 - Процеси механiчної обробки, верстати та iнструменти

МАЙБОРОДА ВІКТОР СТАНІСЛАВОВИЧ

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі високотемпературних матеріалів та порошкової металургії Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Шлюко Володимир Якович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Карюк Геннадій Гаврилович, інституту проблем матеріалознавства НАН України, завідуючий відділом інструментального матеріалознавства;

доктор технічних наук, професор Узунян Матвій Данилович, Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут", професор кафедри різання матеріалів і різального інструменту ;

доктор технічних наук, професор Залога Вільям Олександрович, Сумський державний університет, професор кафедри металорізальних верстатів та інструменту.

Провідна установа: Інститут надтвердих матеріалів ім.М.В.Бакуля НАН України.

Захист відбудеться “26”березня 2002 року о 15-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.11 при Національному технічному університеті України ”Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.Київ, проспект Перемоги,37, корпус 1, ауд. №214.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України”Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.Київ, проспект Перемоги,37.

Автореферат розісланий “19” лютого 2002р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Семенов О.В.

АНОТАЦІЇ

Майборода В.С. Основи створення і використання порошкового магнітно-абразивного інструменту для фінішної обробки фасонних поверхонь. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструмент. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2001.

Дисертація присвячена питанням створення і використання порошкового магнітно-абразивного інструменту (МАІ), який формується у великих магнітних щілинах для фінішної обробки деталей з складними фасонними поверхнями типу лопаток газотурбінних двигунів, осьового різального інструменту. Розроблено новий комплексний підхід для вивчення процесів, що відбуваються при формуванні порошкового інструменту під час магнітно-абразивної обробки (МАО), який базується на континуальній уяві порошкового середовища. Запропоновано фізичну модель МАІ, якій сформовано з моно- і полідисперсних порошкових магнітно-абразивних матеріалів. В залежності від задач обробки визначено оптимальні склади МАІ і його властивості - геометричні, тріботехнічні і реологічні. Визначено межи застосування МАІ при МАО в якості розмірної, поліруючої, підготовчої або зміцнюючої операції при виготовленні і ремонти деталей і в комбінації з нанесенням зносостійких покриттів. Розроблені нові методи об'ємної МАО і методика розрахунків основних вузлів верстатів для МАО лопаток і різального інструменту, яка враховує їх складну форму, кинематику руху і спеціальні властивості МАІ. Показано, що використання методу МАО з спеціальним МАІ забезпечує підвищення експлуатаційних властивостей деталей.

Ключові слова: магнітно-абразивний інструмент, фасонна поверхня, фінішна обробка, модель, тріботехнічні властивості, реологія, зносостійкі покриття, фізико-механічні властивості, експлуатаційні характеристики.

магнітний абразивний інструмент порошковий

Maiboroda V.S. The basics of creation and application of the powder magnetic-abrasive tool for a shaped surface finishing. - Manuscript.

The dissertation for the scientific degree of the Doctor of engineering science on the specialty 05.03.01 - Processes of machine work, machine tools and tool. - National technical university of Ukraine “ the Kiev polytechnic institute ”, Kiev, 2001.

The thesis is devoted to a problem of creation and usage of the powder magnetic-abrasive tool (MAT), which is shaped in large magnet gaps for a finishing of details with complex contours such as turbine jets blades, axial cutting tool. The new comprehensive approach for investigating of powder tool formation, during magnetic-abrasive processing (МАP) has been designed. It was established on the powder environment continuum representation. The physical model of a МАT formed from mono- and poly-disperse powder magnetic-abrasive was offered. Depending on the tasks of processing the optimal structures МАT and its property - geometrical, tribotechnical and rheological were determined. The area of МАP usage is determined for dimensional, polishing, preparatory or hardening operation at manufacturing and repair of details and in a combination with wear-resistant coatings. The new methods of volume МАP and technique of machine main deail calculations for the МАP of blades and cutting tool was designed. It took into account its complex shape, kinematics and МАT special properties. It was shown that usage of the МАP method with special МАT provides increase of operating performances of details.

Keywords: magnetic-abrasive tool, contour, finishing, model, tribotechnical properties, rheology, wear-resistant coatings, physics-mechanical characteristics, operating performances.

Майборода В.С. Основы создания и применения порошкового магнитно-абразивного инструмента для финишной обработки фасонных поверхностей. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук по специальности 05.03.01 - Процессы механической обработки, станки и инструмент. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2001.

Диссертация посвящена решению актуальной научной проблемы создания порошкового магнитно-абразивного инструмента в условиях больших магнитных зазоров со значительным градиентом магнитного поля и его применения для финишной обработки фасонных поверхностей типа лопаток газотурбинных двигателей, осевого режущего инструмента.

Для изучения процессов, происходящих в порошковом магнитно-абразивном инструменте используется комплексный подход, который базируется на физическом, кинематическом и реологическом анализе, выполненном на микро- и макроуровнях, и основанный на континуальном представлении порошковой ферроабразивной среды в магнитном поле в виде групп конусо- и веретенообразных квазистабильных формирований, которые образуются в процессе обработки. Установлена роль пондеромоторных сил, которые возникают в порошковой среде при обработке и по своему действию могут способствовать или увеличению жесткости магнитно-абразивного инструмента или приводить к эффекту “псевдоожижения”.

Показано, что магнитно-абразивный инструмент имеет черты жидкости и по своим свойствам может быть отнесен к бингамовским средам. При этом силы, которые возникают в нем в процессе обработки линейно зависят от величины магнитной индукции в диапазоне 0,1-0,6 Тл, определяются триботехническими свойствами и условиями и контактного взаимодействия с обрабатываемой поверхностью. Впервые определены характеристики вязкости магнитно-абразивного инструмента в условиях больших зазоров и особенности его формирования и поведения в зависимости от технологических режимов, а именно процессы ламинарного движения ферроабразивных частиц и турбулентного, связанного с эффектом псевдоожижения.

Полученные данные позволили определить области эффективного использования инструмента для обеспечения условий максимальной абразивной, полирующей или упрочняющей обработки и пути управления соответствующими характеристиками инструмента. Для этой цели предложено использование композиционного порошкового инструмента, сформированного из смесей порошков, которые отличаются размерами, формой частиц и своими эксплуатационными и триботехническими характеристиками. Установлены оптимальные составы смесей, которые определяются задачами магнитно-абразивной обработки.

Исследования физико-механических свойств поверхности деталей после магнитно-абразивной обработки позволили определить характер силового взаимодействия магнитно-абразивного инструмента с обрабатываемой поверхностью. Показано, что использование разработанного инструмента при магнитно-абразивной обработке позволяет осуществлять управляемое локальное воздействие на отдельные участки поверхности деталей, формировать в поверхностном слое сжимающие остаточные напряжения с регулированной величиной от -200МПа до -1200МПа и глубиной залегания до 250 мкм и обеспечивать повышение твердости и микротвердости поверхности на 20-40%.

Разработаны новые методы объемной магнитно-абразивной обработки лопаток газотурбинных двигателей и осевого инструмента, оборудование и технологические наладки к стандартным станкам для их реализации, методику расчета основных узлов технологических наладок, которая учитывает сложную форму деталей, кинематику их движения и специальные свойства магнитно-абразивного инструмента.

Определены оптимальные технологические условия магнитно-абразивной обработки для формирования кромок лопаток, финишной обработки сложных фасонных поверхностей, в качестве подготовительной операции перед нанесением специальных износостойких покрытий и в качестве полирующе-упрочняющей операции после нанесения покрытий. Установлены оптимальные технологические комбинации метода магнитно-абразивной обработки, нанесения покрытий типа TiN и с использованием химико-термической обработки. Показана возможность повышения предела усталости лопаток после комбинированной технологии не менее чес на 16-18%, стойкости режущего инструмента более чем в 2 раза.

Результаты исследований используются и внедрены на промышленных предприятиях страны.

Ключевые слова: магнитно-абразивный инструмент, фасонная поверхность, финишная обработка, модель, триботехнические свойства, реология, износостойкие покрытия, физико-механические свойства, эксплуатационные характеристики.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Основна мета технологічних процесів сучасного машинобудування - є забезпечення формоутворення деталей з високою точністю, низькою шорсткістю робочих поверхонь, особливими і достатніми характеристиками міцності, зносостійкості, тощо. При цьому особливе значення набувають технології фінішної обробки, які безпосередньо впливають на комплекс фізико-механічних властивостей поверхні деталей. Однією з найбільш поширених на заключних стадіях технологічних процесів виготовлення і ремонту деталей є абразивна обробка, однією з різновидів якої є магнітно-абразивна обробка (МАО) - абразивна обробка феромагнітними порошками у магнітному полі, яке виконує роль віртуальної зв'язки. МАО має застосування як в нашій державі, так і за кордоном. Найбільш значний науково-практичний внесок в розвиток методу МАО зробили Е.Г.Коновалов, П.І.Ящеріцин, Ф.Ю.Сакулевіч, Ю.М.Барон, М.Я.Скворчевський, Г.С.Шульов, Н.С.Хоміч, в галузі розробки матеріалознавських принципів, наукових і технологічних основ створення високоефективних порошкових матеріалів на основі заліза В.Ю.Олікер; М.Д.Кримський, Г.Г.Гнесін, Г.Д.Налівко, П.С.Кіслий.

Переваги МАО перед традиційними методами механічної абразивної обробки обумовлені особливими властивостями робочого тіла, що використовується при обробці, а саме магнітно-абразивного інструменту (МАІ), який формується з фероабразивного порошку в магнітних щілинах верстатів. Найбільший успіх досягнуто при розробці наукових основ і технологічних процесів МАО деталей простої форми, де використовувалися малі робочі щілини - до 2,5 мм, в яких створювалися магнітні поля з магнітною індукцією в межах 0,8-1,2 Тл. Застосування такого методу для обробки деталей з складними фасонними поверхнями, наприклад, таких як різальний інструмент, лопатки газотурбінних двигунів (ГТД) та інші, обмежено складністю, а в деяких випадках і неможливістю створення відповідних малих фасонних магнітних щілин. Це робить актуальним використання магнітних щілин з величиною більш ніж 5-10 мм.

Виконані дослідження в цьому напрямку до останнього часу носили розрізнений і несистемний характер, і саме тому є не достатні для ефективного використання і впровадження методу МАО у виробництво. Насамперед це відноситься до обробки складно профільних деталей, коли вирішальним стають не тільки оптимальні властивості магнітно-абразивного порошку, а і безпосередньо МАІ в цілому - рухомо скоординований стан порошкового середовища, відсутність жорсткої зв'язки, спроможність нівелювати відносно оброблюваної поверхні, віддзеркалюючи її форму або локально впливати на окремі її частини. Для вирішення проблем, пов'язаних з розширенням меж застосування і можливостей методу необхідна розробка технологічних принципів формування МАІ, що використовується при МАО, як спеціального виду механічної обробки для підвищення надійності, витривалості, стійкості деталей, спеціального обладнання для реалізації методу МАО складно профільних деталей, науково обгрунтованих принципів його проектування.

Таким чином розробка наукових основ створення спеціального порошкового МАІ, технологічних принципів його формування та їх реалізація є актуальною проблемою, вирішення якої має велике теоретичне і практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота була виконана відповідно з Державними науково-технічними програмами по розділу 04.“Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології“ в напрямках 4.04 “Високоефективні технології механічної обробки та з'єднання матеріалів” в 1995-97 роках, 04.03 ”Створення методів та програмних засобів для розрахунків на міцність та довговічність елементів конструкцій з тепло- та корозійностійкими захисними покриттями для транспортних енергетичних машин” в 1997-99роках, а також згідно з науковими планами Міністерства освіти по держбюджетним темам “Розробка технології магнітно-абразивної обробки поверхонь конструкційних деталей складної форми і кінцевого різального інструменту для зміцнення деталей і підготування поверхонь під нанесення зносостійких покриттів” (№ держреєстрації 0194U005954), “Дослідження та розробка процесу підготовки поверхневого шару деталей складної форми магнітно-абразивним методом під нанесення зносостійких покриттів” (№ держреєстрації 0196U009227), “Технологічні та фізико-механічні основи обробки поверхні деталей аеродинамічної форми при ферогідродінамічному впливі абразивних порошкових систем” (№ держреєстрації 0198U001256), “Дослідження фізико-механічних властивостей поверхні в процесі магнітно-абразивної обробки з метою підвищення адгезійної здатності покриттів” (№ держреєстрації 0100U000868).

Метою роботи є розробка наукових основ створення спеціального порошкового магнітно-абразивного інструменту в умовах великих щілин і його використання для ефективної фінішної обробки фасонних поверхонь з забезпеченням заданих фізико-механічних властивостей поверхні деталей, виготовлених з різних матеріалів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1.Використовуючи комплексний експериментально-теоретичний підхід, що базується на континуальній уяві порошкового середовища, як дискретно-безперервного, розробити наукові положення для визначення фізичної моделі формування МАІ, що утворюється у великих магнітних щілинах при МАО фасонних поверхонь.

2. Дослідити особливості формування і поведінки МАІ при МАО реальних деталей, спеціальні експлуатаційні характеристики МАІ, характер їх зміни у великих щілинах з значним градієнтом магнітної індукції і визначити напрямки можливого керування властивостями МАІ.

3. Визначити закономірності зміни напруженого стану в порошковому магнітно-абразивному інструменті і характер контактної і силової взаємодії фероабразивного порошкового середовища з реальними деталями в умовах великих робочих щілин під час МАО.

4. Розробити методику розрахунку параметрів основних вузлів верстатних наладок для МАО різних видів складних фасонних поверхонь, яка базується на кінематичній уяві особливостей руху деталей у порошковому середовищі і враховує його властивості.

5.Визначити вплив процесу МАО, в якому використовується створений МАІ на якість складних фасонних поверхонь на прикладі лопаток ГТД і осьового різального інструменту.

6. Визначити основні закономірності зміни експлуатаційних та фізико-механічних характеристик поверхонь деталей при комбінованому використанні МАО і нанесення зносостійких покриттів.

7. Розробити рекомендації що до використання спеціального МАІ при МАО фасонних деталей в умовах кільцевих робочих зон для забезпечення ефективної фінішної обробки - формування низької шорсткості , заданого стану фізико-механічних властивостей поверхневого шару деталей.

Наукова новизна отриманих результатів:

Вперше розроблено фізичну модель процесу формування МАІ з моно- і полідісперсних порошків для обробки складних фасонних поверхонь деталей у великих магнітних щілинах, яка базується на континуальній уяві структури МАІ і враховує взаємодію магнітних, динамічних, тріботехнічних, реологічних явищ і відповідає певним законам фізики, магнітної гідродинаміки, ферогідродінамики і механіки дискретно-безперервних середовищ.

Проведено експериментально-теоретичний аналіз поведінки порошкового фероабразивного середовища, що знаходиться в постійному магнітному полі, визначені основні параметри процесу МАО і їх пондеромоторні зв'язки, які суттєво впливають на механізм формування порошкового МАІ і безпосередньо на сам процес МАО деталей у магнітних щілинах значної ширини, а саме: напруженість магнітного поля, швидкість обробки, параметри, що визначають реологічні і тріботехнічні властивості МАІ.

Встановлено, що для оцінки і прогнозування на мікро- і макрорівнях характеру контактної взаємодії порошкового МАІ з оброблюваною поверхнею в процесі МАО визначальними характеристиками є його геометричні і тріботехнічні властивості.

Вперше розроблено оригінальні експериментальні методики дослідження реологічних характеристик фероабразивних порошків в магнітному полі, з застосуванням цих методик досліджено основні закономірності реологічної поведінки фероабразивного середовища в магнітному полі, визначено тріботехнічні властивості реального МАІ, його в'язкість і виконано експериментальну перевірку модельного уявлення МАІ і самого процесу МАО у великих щілинах.

Розроблено модель процесу МАО складно профільних деталей на прикладі лопаток ГТД, яка забезпечує визначення оптимальних умов обробки для отримання заданих характеристик поверхні і поверхневого шару деталей.

Вперше доведено, що за рахунок використання керованого формування МАІ у великих кільцевих щілинах значної ширини можливо здійснення регульованого впливу на експлуатаційні і фізико-механічних характеристики і властивості поверхневого шару деталей з складними фасонними поверхнями після МАО і при комбінуванні в використанні методів МАО і нанесення покриттів (хіміко-термічна обробка, іонно-плазмовий) на прикладі лопаток ГТД і осьового різального інструменту.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблено - основні принципи створення і формування порошкового магнітно-абразивного інструменту для фінішної об'ємної магнітно-абразивної обробки деталей з складними фасонними поверхнями (пера лопаток, робочих частин інструменту), які підтверджено в нових способах обробки, що реалізують оптимальні умови формування і спеціальні властивості МАІ (А.С.СССР1676180, Патенти України 16512, 18814, 25441, 42541А). Розроблено методику розрахунку основних вузлів верстатів для МАО лопаток ГТД і осьового різального інструменту, яку використано у створеному відповідному обладнанні.

Визначені рекомендації що до використання і умов формування МАІ, складеного з полі- і монодисперсних порошкових магнітно-абразивних матеріалів (МАМ), послідовності і місця розташування операції МАО в технологічному процесі виготовлення і ремонту деталей у якості поліруючо-зміцнюючої обробки, при комбінуванні з методами нанесення зносостійких покриттів.

Спільно з держаним підприємством “АВІАКОН” м.Конотоп розроблено, виготовлено і впроваджено в технологічний цикл ремонту верстат для МАО лопаток газотурбінних двигунів, технологічні режими обробки лопаток при їх відновленні, комплексну технологію підвищення надійності і працездатності лопаток, яка складається з комбінування методів МАО і іонно-плазмового нанесення TiN покриття, зміцнення і відновлення різального інструменту. Це дозволило підвищити продуктивність ремонту лопаток більше ніж у 1,5-2 рази при дотриманні заданих фізико-механічних характеристик деталей, зменшити кількість непродуктивної тяжкої ручної праці, отримати високу надійність технологічного процесу обробки, виключити брак, підвищити ресурс лопаток, що використовують на газоперекачувальних станціях. Використання МАО для полірування і зміцнення різального інструменту дозволило знизити у 1,3-1,6 разу витрати інструменту в умовах підприємства, підвищити його стійкість в 1,8-2 рази. Економічний ефект від впровадження результатів роботи склав 2855 грн. при ремонті одного комплекту лопаток компресору, а при використанні для обробки різального інструменту до15 тис. грн. на рік.

Основні наукові положення, результати досліджень, рекомендації, технологічні режими, методики досліджень реологічних властивостей МАІ, властивостей поверхні і експлуатаційних властивостей деталей складної форми, було використано на ВАТ ”КИЇВПОЛІГРАФМАШ”, КЦКБ арматуробудування, в державній акціонерній холдінговій компанії “АРТЕМ” при розробці нових технологічних процесів, динаміки зносу осьового інструменту під час експлуатації застосовуються в навчальному процесі у національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут”, а також при проведенні наукових досліджень в OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITДT MAGDEBURG, Fakultдt fьr Mashinenbau, Institut fьr Fertungtechnik und Qualitдtssicherung,.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі узагальнені результати досліджень, що виконані безпосередньо автором або колективом під його керівництвом. В останньому випадку автор формулював мету, задачі та постановку роботи, методики і способи досягнення поставленої мети, виконував розрахунки, аналізував та узагальнював отримані результати. Матеріали дисертаційної роботи не вміщують ідей та розробок, що належать співавторам, з якими були написані роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації доповідалися і були обговорені на науково-технічних конференціях, семінарах, найважливіші з яких: “Прогрессивные технологические процессы и повышение эффективности механической обработки”.- Семінар-ярмарка (Київ, 3.05-5.05.1990), “Підвищення надійності, ресурсу та виключення катастрофічних руйнувань транспортних газотурбінних двигунів”. - Підсумковий семінар робіт ДКНТ України (Київ, ІПМіцн НАНУ, 10.1993), “Прогрессивные техника и технологии машиностроения”.- Междунар. науч.- техн. конф.( Севастополь, 12.09-15.09.1995), “Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва”. Міжнар.наук.-техн.конф.,присвяч. 100 річчю ММФ і 50 річчю ЗФ НТУУ “КПІ” (Київ 25.05-28.05. 1998), “Технологии ремонта машин и механизмов. Ремонт-98”. Міжнар.наук.-техн.конф.( Київ 9.06-11 0.6.1998), “Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций. Ресурс 2000”. Междунар.науч.-техн.конф.( Киев 6.06-9.06.2000), “Зварювання та суміжні технології”. 1 Всеукраїнська наук.-техн. конф. (Ворзель 22-24.05.2001), “Прогресивна техніка і технологія - 2001” II Міжнар. наук.-техн.конф. (Севастополь 28.06-2.07.2001), “Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні ГТД-2001” Міжнар. наук.-техн. конф. (Київ 9-11.10.2001).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 31 робіт (без співавторів 6 робіт), у тому числі в 23 статі у фахових виданнях ВАК. За темою дисертації здобуто одне авторське свідоцтво СССР, 4 патенти України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів основної частини, загальних висновків, списку використаних джерел, що містить 201 найменування та додатків. Повний обсяг дисертації становить 401 сторінок машинописного тексту, включаючи 140 рисунків, 31 таблицю.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, відображено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, апробацію, структуру роботи та публікації.

В першому розділі наведено сучасний стан проблеми використання методу МАО при виготовленні деталей різноманітних форм з різних матеріалів, стислу характеристику методів і схем, що використовують для обробки, проаналізовано технологічні аспекти застосування методу, умови і особливості формування МАІ, його ефективності і можливостей застосування для обробки різних матеріалів. Розглянуто відомі магнітно-абразивні порошкові матеріали, залежність їх властивостей від складу та способу отримання, методики визначення експлуатаційних характеристик. Визначені основні експериментальні і теоретичні підходи, які використовують для описання, аналізу і прогнозування експлуатаційних, фізичних і технологічних властивостей як самого МАІ, що формується у магнітних щілинах під час обробки, так і безпосередньо процесу МАО. Проаналізовано інформацію про вплив МАО на властивості, топографію і стан поверхні, можливість розмірної обробки деталей, використання МАО, як зміцнюючої операції в сучасних технологічних процесах. Основним механізмом взаємодії частинок магнітно-абразивного порошку вважається спільне мікрорізання та пластичне деформування мікронерівностей поверхні переважно в режимі тертя. Наявна інформація досить уривчаста і не систематизована. Не визначені основні групи факторів, які достатні для прогнозування рівня напружень, що виникають в поверхневому шарі, і стану поверхні деталей, особливо складної просторової конфігурації, під час МАО. Наведено основні зв'язки, що виникають при МАО в системі оброблювана деталь - магнітно-абразивний інструмент - верстат, що забезпечує переміщення оброблюваних поверхонь відносно МАІ. Встановлено основні параметри МАО, які визначають продуктивність і ефективність методу і дозволяють наперед визначеним чином - через керування процесами при формуванні МАІ, впливати на якісні показники оброблюваних деталей.

Показано, що процес МАО деталей докладно вивчено для умов малих робочих щілин, коли відстань між оброблюваною поверхнею і полюсними наконечниками магнітних систем не перевищує 2,5-3 мм при обробці переважно феромагнітних матеріалів з простою формою - тіла обертання, площини. При цьому основним технологічними факторами є сили магнітного поля, які утримують МАІ у робочому стані, час обробки, властивості порошків і швидкість МАО. У зазначених схемах традиційно використовують магнітні поля з магнітною індукцією у робочих щілинах 0,8-1,2 Тл і швидкість МАО до 2,5-3 м/с.

Значно менше уваги приділялось процесу МАО деталей з складними фасонними поверхнями, наприклад лопаток ГТД, осьового різального інструменту, виготовлених як з феро-, так і пара- і діамагнітних матеріалів. Це визначило слабку опрацьованість цієї проблеми. Використання традиційних схем МАО з малими робочими щілинами для деталей такого типу обмежено, перш за все, конструктивними складнощами і потребує використання великих щілин. Це визначило, в свою чергу, технічну складність і економічну недоцільність створення у таких щілинах значних магнітних полів. Вирішення цієї проблеми, в особливості при обробці немагнітних деталей з складною просторовою формою, призвело до необхідності дослідження особливостей створення з магнітно-абразивного порошку ефективного робочого тіла - магнітно-абразивного інструменту з заданими властивостями в умовах значних градієнтів магнітної індукції, процесів, що виникають у ньому під час обробки, силової взаємодії з оброблюваними поверхнями.

Продуктивна реалізація і визначення можливостей застосування методу МАО для обробки деталей такого типу потребує розробки нового підходу до формування МАІ, визначення його специфічних характеристик і властивостей, побудови фізичної моделі МАІ, визначення напрямків і можливостей керування цими властивостями в залежності від задач обробки.

Відсутність інформації про вплив МАО у великих щілинах деталей складної форми, в умовах значного градієнту магнітної індукції на їх експлуатаційні властивості в значній мірі обмежує можливості використання методу, не дозволяє розширити границі його використання і в повній мірі реалізувати переваги МАО перед традиційними методами абразивної обробки. Саме ці переваги дозволяють локально впливати на окремі ділянки оброблюваної поверхні, здійснювати високопродуктивну обробку деталей з складними фасонними поверхнями, виготовленими з складно оброблюваних матеріалів з регульованим впливом на окремі ділянки деталей.

У другому розділі для побудови фізичної моделі МАІ, що формується у великих магнітних щілинах запропоновано використання комплексного підходу, який базується на континуальному представленні і розгляді усієї маси МАІ у вигляді сукупності окремих представницьких об'ємів, які утворюються з окремих частинок магнітно-абразивного порошку за рахунок сил магнітного, електричного, динамічного і тріботехнічного походження. Детальний аналіз явищ, які виникають при взаємодії зазначених об'ємів між собою виконувався по трьом напрямкам з урахуванням макроскопічної взаємодії МАІ з поверхнею, мікроскопічного аналізу поведінки частинок в межах окремих представницьких об'ємів і реологічної поведінки інструменту в процесі МАО. Формально такий підхід представлено у вигляді схеми взаємозв'язків між окремими напрямками досліджень. Вказані напрямки досліджень повинні розглядатися нерозривно один від одного.

Фізичне описання процесів, що виникають в порошковому середовищі в процесі формування МАІ виконували з використанням рівнянь Максвелу - поведінки порошкового середовища в електромагнітному полі.

Зазначенні рівняння, в яких нехтують струмами зміщення і накопиченням заряду мають вигляд:

,

; (1)

,

,

де - вектор магнітної індукції; - вектор напруженості електричного поля; - щільність електричного струму; - час, величина , де - відносна магнітна проникливість, - магнітна проникливість вакууму. Якщо в середовищі , що рухається з швидкістю діє повне електричне поле , і при цьому ввести значення провідності середовища , то . Звідки

(2).

Таким чином, якщо величина однорідна в просторі то з (1) одержимо:

, (3),

де . Рівняння (3) описує зміну індукції магнітного поля у провідному середовищі, яке рухається. Якщо середовище має незначні швидкості руху, тобто мають місце незначні швидкості МАО , то рівняння (3) спрощується до вигляду:

(4).

Коефіцієнт виконує роль коефіцієнта дифузії магнітного поля.

Інший граничний випадок можна одержати з рівняння (3), коли середовище буде мати незначний електричний опір, а коефіцієнт дифузії буде наближатися до нуля. Тоді рівняння (3) перепишеться у вигляді:

(5).

Рівняння (5) показує, що зміна поля така, як би магнітні силові лінії рухалися разом з середовищем - з окремими представницькими об'ємами, тобто залишалися “вмороженими” в них. Для визначення який з граничних випадків буде мати місце, треба мати досить чітку уяву про електричні властивості МАІ, визначення яких потребує експериментальних досліджень. При розгляді інтегральної характеристики - магнітної енергії W деякого вилученого об'єму магнітно-абразивного порошку V швидкість її зміни в процесі МАО може бути наведена у вигляді:

 (6),

де другий член рівняння (6):

характеризує перетворення W у джоулево тепло, а перший член:

(7)

показує, що зменшення магнітної енергії в разі роботи, яка виконується пондеромоторною силою з фізичної точки зору пояснюється через максвеловскі напруження, як:

. (8)

Тобто пондеромоторна сила еквівалентна гідродинамічному тиску , який створюється магнітною індукцією у робочих щілинах і питомому натягненню ланцюжків зерен порошку вздовж магнітних силових ліній. Розтягнення магнітних силових ліній підвищує магнітну енергію. Тому в процесі формування МАІ в ньому можуть проявлятися наступні процеси:

Із-за бокового тиску пучок силових ліній буде опиратись любим зусиллям по боковому розтягненню або стисненню;

Із-за повздовжнього натягу силові лінії прямують у напрямку скорочення, наскільки дозволяє опір стисненню з боку середовища;

По першим двом причинам, якщо силові лінії усунуто від положення рівноваги, то виникає протидіюча сила, яка призводить до коливань біля положення рівноваги, які можуть призвести до “псевдозрідження” МАІ ;

В окремих випадках великі магнітні напруження можуть призвести до нестійкості, при розвитку якої середовище повинно “розкидатися” магнітним полем. Подібний ефект неможливості МАО відзначив Ю.М.Барон при поліруванні з швидкістю більшою за 2,5м/с і магнітній індукції у робочих зазорах ~1 Тл.

Така поведінка МАІ для умов великих щілин притаманна модельній уяві структури інструменту у вигляді конусоподібних відносно стабільних утворень, що формуються з окремих груп частинок - представницьких об'ємів МАІ, і розташовуються своїми основами на поверхні полюсних наконечників, а вершинами - взаємодіють з оброблюваною поверхнею. Об'єднують конусоподібні утворення, що розташовані на протилежних полюсних наконечниках, у суцільній МАІ веретеноподібні формування, які формуються в середній частині робочої щілини. Виконання введення конусоподібних утворень замість ланцюжків зерен правомірно з погляду характеру зміни градієнту магнітного поля по ширині робочої. Таким чином макромодель МАІ, який формується у великих робочих щілинах під час МАО реальних деталей можна запропонувати у вигляді наведеному на рис.2. Наявність виникаючих складових сил натягнення F_s конусоподібних утворень буде визначати характер дії пондеромоторної сили у робочих щілинах, яка із зазначеного вище, при певних умовах МАО може або приводити до псевдозрідження МАІ, або до його розкидання.

Характер дії і вплив пондеромоторної сили істотно буде визначатися напруженим станом, що виникає в МАІ під час МАО, тріботехнічними властивостям порошкового середовища у магнітному полі, магнітними і електричними властивостями МАІ, розмірами конусоподібних і веретеноподібних утворень, які будуть залежати і від магнітної індукції у робочих щілинах, і від фізичних характеристик порошкових МАМ - щільності МАІ, його відносної магнітної проникності і намагніченості, розмірів і форми частинок, розмірів робочої зони, градієнта магнітної індукції, характеристиками в'язкості, тощо.

Кінематичні умови формування виконано на підставі аналізу сил, що діють в МАІ. Введення припущення про наявність представницьких об'ємів і макроформувань в структурі МАІ дозволяє пояснити особливості поведінки порошкового середовища в процесі МАО, а саме в умовах великих щілин як на окремі зерна, так і на їх групи діє комплекс сил, наведений на рис.3, який складається - з магнітних сил F_m, які визначаються магнітною індукцією у робочих щілинах і безпосередньо впливають на сили притягнення між окремими зернами МАІ, які розраховують через максвеловські напруження, - сили внутрішнього тертя , - динамічних F_ф, які визначають сили різання F_p , - сили тертя між МАІ і оброблюваною поверхнею , - пондеромоторних сил, які залежать від швидкості МАО, градієнту магнітної індукції і впливають на сили взаємодії між частинками порошку при їх русі в межах представницьких об'ємів.

Кінетичну енергія, яку отримує МАІ при русі в ньому з швидкістю u оброблюваної деталі можна оцінити як:

(9),

де u - швидкість переміщення оброблюваної поверхні в МАІ, m - маса порошку, що у процесі МАО активно взаємодіє з поверхнею деталі і бере участь в обробці.

Для здійснення повороту частинок МАІ, що безпосередньо контактують із поверхнею оброблюваної деталі необхідне виконання умови:

(10),

де - сили тертя, які виникають між шарами одиниці поверхні МАІ в процесі МАО; - сили тертя, які виникають між одиницею площі шару МАІ і поверхнею оброблюваної деталі; - відстань, на яку необхідно в процесі МАО зсунути від положення рівноваги квазістійки формування і частинки МАІ для їхнього повороту відносно силових магнітних ліній і нормалі до оброблюваної поверхні, тобто щоб переважне тертя ковзання частинок, контактуючих із поверхнею, перейшло в тертя кочення; - магнітні сили, необхідні для подолання магнітного моменту частинок МАІ, які необхідно враховувати при використанні порошків з нерівновісними частинками і пондеромоторні сили.

Виконання умови (10) призведе до зміни характеру орієнтації частинок МАІ відносно оброблюваної поверхні, а значить і умов обробки. Тому актуальним є визначення тріботехнічних властивостей МАІ і експериментальної перевірки запропонованої моделі.

Реологічну поведінку МАІ описати з використанням законів механіки суцільного середовища досить складно. Використання основних положень теорії розміреності дозволяє значно спростити такий опис і виконати аналіз зміни напруженого стану в МАІ в залежності від технологічних параметрів процесу МАО. Встановлено, що зсувні напруження - у загальному вигляді будуть визначатися як: , де - намагніченість частинок МАІ, яка залежить від напруженості магнітного поля - Н і відносної магнітної проникності МАІ - , - безрозмірена функція, яка характеризує властивості МАІ, враховує зміну сил тертя в інструменті, який сформовано магнітним полем до певної щільності г і дію пондеромоторних сил. Отримані з використанням теорії розміреностей результати співпадають з вище зазначеними результатами фізичного аналізу особливостей формування МАІ у великих щілинах в умовах значного градієнту магнітного поля і потребують експериментального підтвердження в реальних умовах, яке пов'язано з визначенням фізичних, геометричних, тріботехнічних і реологічних властивостей МАІ.

Третій розділ роботи присвячено дослідженню спеціальних фізичних і геометричних властивостей МАІ, сформованого у великих щілинах з нових порошкових матеріалів, які мають відносно універсальні властивості, таких як ПОЛІМАМ-Т, ПОЛІМАМ-М, ЦАРАМАМ, ФЕРОМАП і стандартних, відомих порошків - ПР Р6М5, Ж15КТ, СП-17, ПФО Р6М5 з розмірами частинок в діапазоні від 100 мкм до 630 мкм, дослідженню особливостей його контактної взаємодії з поверхнею реальних деталей.

Дослідження геометричних характеристик частинок МАІ виконували шляхом статистичного аналізу результатів вимірювань розмірів проекцій частинок у моношарі порошку в двох перпендикулярних напрямках, один з яких співпадав з найбільшою віссю окремої частинки, контролю форми і визначенню ступеню нерівновісності. Зазначену гаму порошків умовно було поділено на округлі і осколочні, на рівновісні з коефіцієнтом нерівновісності k_f? 1,6 і нерівновісні з величиною k_f > 1,6-1,8. Результати геометричного аналізу частинок порошків наведено в табл.1.

Таблиця 1. Статистичні характеристики зміни величини kf і розмірів зерен

Дослідження експлуатаційної стійкості порошкових магнітно-абразивних матеріалів у великих щілинах і при значних швидкостях МАО реальних деталей - лопаток ГТД (більшою за 2,5 - 3 м/с) показали, що найкращі показники мають порошки, розпилені з розплавів. Стійкість таких порошків перевищує годину безперервної експлуатації без істотних змін абразивної і поліруючої спроможності, а також геометричних розмірів і форми частинок.

Магнітні властивості МАІ визначали по результатам зміні величини магнітної індукції у вільних магнітних щілинах В₀- і щілинах з МАІ - В_е при сталому рівні напруженості магнітного поля. Показано, що з зростанням розміру частинок магнітно-абразивних порошків у діапазоні від 63 мкм до 630 мкм величина =В_е/В₀ зменшується. Для магнітно-абразивних порошків, отриманих розпиленням із розплавів, величина відносної магнітної проникливості вище, ніж у керметних порошків з аналогічним складом, що пов'язано з більш низькою пористістю частинок і кращою спроможністю ущільнюватися під впливом сил магнітного поля.

Отримані залежності показують, що зі збільшенням магнітної індукції в робочих щілинах величина виходить на деяку постійну величину. Індукція, при якій величина магнітної проникності практично не змінюється з зростанням напруженості магнітного поля, є індукцією насичення для МАІ, сформованого з певного порошку, і для вказаної гами порошків знаходиться в межах 0,5-0,7 Тл, знижуючись в ряду порошків ПОЛІМАМ-М > ПОЛІМАМ-Т > ФЕРОМАП > ЦАРАМАМ > Ж15КТ > ПР Р6М5 > СП-17 > ПФО Р6М5. Перевищення визначених значень магнітної індукції в МАІ при МАО у великих щілинах не приводить до зростання ефективності обробки.

Дослідження електричних властивостей МАІ показали, що зростання розміру робочих щілин від 5 мм до 20 мм призводить до зменшення питомого електроопору МАІ не менш ніж в 1,2-1,3 рази, а збільшення розмірів частинок з 100 мкм до 600 мкм - до його зменшення в 3-4 рази. Показано, наявність анізотропії електричних властивостей реального МАІ у великих щілинах - значення питомого електроопору МАІ - в напрямку, перпендикулярному дії ліній магнітного поля в 3-5 разів вище ніж вздовж ліній магнітного поля, що свідчить про порівняно менші сили взаємодії між частинками МАІ у вказаному напрямку. Встановлено степеневу залежність між питомим електроопором МАІ, магнітною індукцією в робочих щілинах і зусиллями, які виникають в ньому під час МАО. Виконані розрахунки силової взаємодії між частинками порошку в інструменті показали, що тиск з боку МАІ на оброблювану поверхню від дії магнітного поля, в залежності від типу порошку і розміру частинок може змінюватись від 20 до 200 кПа і більше. Отримані результати є прямим підтвердженням запропонованої фізичної моделі формування, коли в реальних умовах магнітно-абразивний порошковий інструмент набуває структури конусоподібних стовпчиків, основи яких знаходяться на поверхні полюсних наконечників. Характер формування подібних стовпчиків насамперед визначається значним градієнтом магнітної індукції, розміром і формою частинок, а самі стовпчики мають свої цілком конкретні розміри.

Для визначення особливостей структурування МАІ в процесі обробки і аналізу зон безпосереднього, локального контакту частинок з оброблюваною поверхнею - розроблено методику фіксації МАІ і подальшого аналізу зон безпосереднього контакту. Встановлено, що для компактних порошків з нерозгалуженою зовнішньою поверхнею величина відносної площі фактичного контакту - змінюється слабо. Для порошків ПОЛІМАМ-Т знаходиться в межах 0,06, ПОЛІМАМ-М - 0,054, ЦАРАМАМ - 0,047, ПР Р6М5 - 0,07, СП-17 - 0,1. В той час як у ПФО Р6М5 з сильно розгалуженою зовнішньою поверхнею, отриманих за керметною технологією без оплавлення частинок змінюється від 0,13 до 0,06 з ростом розмірів частинок. Проміжне положення займає Ж15КТ, який має що змінюється від 0,074 до 0,06.

Аналіз форми окремих плям фактичного контакту частинок МАІ з поверхнею деталей показав, що для порошків ПОЛІМАМ-Т, Ж15 КТ, ПФО Р6М5 ми маємо справу з багатокутниками з округленими вершинами, а у ПОЛІМАМ-М і ПР Р6М5 з плямами округлої форми. Причому радіуси округлення вершин багатокутників для плям окремих контактів МАІ, сформованого з порошку СП-17 з поверхнею деталей більш ніж чим у 8-10 разів менші радіусів округлення для інших порошків.

В результаті стереоаналізу зліпків МАІ встановлено, що в процесі МАО інструмент взаємодіє з поверхнею деталей окремими формуваннями у вигляді груп частинок, які знаходяться у квазістабільному стані і об'єднуються між собою силами магнітного поля. Такі формування мають вигляд тетраедрів, у яких одна з граней практично перпендикулярна вектору магнітного поля. При цьому подібні тетраедри розташовуються один відносно іншого вздовж ліній магнітного поля один над другим, утворюючи ланцюжки зерен, конусоподібні і веретеноподібні формування, які аналогічні “струнам” з змінним перетином.

Підвищення ефективності та розширення області застосування магнітно-абразивної обробки безпосередньо пов'язано з направленим створенням спеціальних характеристик МАІ у магнітних щілинах. Особливо важливими є високі абразивно-поліруюча здатність, рухомість зерен в щілині та відновлюваність форми МАІ при обробці деталей складної просторової форми у широких магнітних щілинах. Як один з шляхів управління властивостями інструменту може розглядатися формування МАІ з сумішей магнітно-абразивних порошків, які відрізняються між собою за основними фізичними та експлуатаційними властивостями. Вперше було виконано дослідження властивостей порошкового інструменту, який складався з сумішей крупних (630/400 мкм) порошків і дрібних (160/100 мкм) типу ФЕРОМАП - ФЕРОМАП, ФЕРОМАП - ПР Р6М5, СП-17 - ПР Р6М5, ПОЛІМАМ-М - ПР Р6М5. Найбільш суттєве зростання щільності МАІ з сумішей порошків - до 10% - має місце при вмісті у суміші, складеної з рівновісних частинок, до 14% у порівнянні з монофракційним МАІ, що відповідає розрахункам за принципом вільного дотику. Найкращі магнітні властивості МАІ з сумішей притаманні складу з вмістом у суміші 25-50% дрібної рівновісної фракції.

Четвертий розділ присвячено дослідженню тріботехнічних властивостей МАІ, який сформовано у великих робочих щілинах з моно і полідісперсних магнітно-абразивних порошків.

Забезпечення ефективної МАО деталей з складними фасонними поверхнями в умовах великих щілин визначається не тільки відповідною абразивно - поліруючою спроможністю МАІ, а і його високою рухливістю, яка буде визначати ступінь нівелювання МАІ відносно оброблюваної поверхні, спроможність відновлювати форму інструменту під час МАО. Ці властивості МАІ визначаються його тріботехнічними характеристиками. Для їх дослідження розроблено спеціальну експериментальну методику і установку, які дозволяють визначити сили тертя в МАІ і між МАІ і оброблюваною поверхнею, з подальшим розрахунком коефіцієнтів тертя. Експериментальні дослідження було виконано при обробці сплавів ВТ3-1 і Д16Т при визначенні сил тертя між МАІ і оброблюваною деталлю, а також спеціально виготовлених зразків, які забезпечують імітацію переміщення шарів МАІ один відносно одного. Було досліджено вплив типу порошку, розмірів частинок, їх форми, магнітної індукції в робочих щілинах на питомі зсувні зусилля, що виникають в МАІ в процесі переміщення через нього оброблюваної поверхні. Встановлено, що питомі зсувні зусилля у МАІ лінійно залежать від величини магнітної індукції як , де - зсувні зусилля, які не залежать від В, f - коефіцієнт тертя у магнітному полі. Значення і f для різноманітних магнітно-абразивних матеріалів при МАО сплаву ВТ3-1 наведено в табл.2. Отримані залежності показують, що МАІ за своєю поведінкою при формуванні має риси рідини і може бути віднесений до бінгамовського середовища. Показано, що для рівновісних порошків величина f практично не залежить від розміру частинок у діапазоні 100 - 630 мкм при В = 0 ч 0,6 Тл, як для тріботехнічної пари МАІ - поверхня деталі, так і для пари МАІ - МАІ. Для МАІ, сформованого з нерівновісних частинок має місце суттєвий взаємозв'язок між розмірами зерен і величиною f . У парі МАІ - деталь величина коефіцієнту тертя у магнітному полі зменшується не більше чим на 30% і знаходиться у прямій залежності від площі фактичного контакту S_f та частоти контактування МАІ з поверхнею, що оброблюється.

Таблиця 2. Значення і f для різних типів магнітно-абразивних порошків в складі МАІ

Для пари тертя МАІ-МАІ зменшення величини f , пов'язане з зростанням розмірів частинок досить суттєве - 2,7 рази. Така різниця у значеннях коефіцієнтів тертя у магнітному полі пояснюється із застосуванням запропонованого модельного представлення макроструктури МАІ у вигляді конусоподібних стовпчиків і веретеноподібних формувань.

Якщо прийняти, що робота, яка витрачається на подолання сил тертя у МАІ незмінна, то вона буде витрачатися на тертя між шарами МАІ та тертя між частинками у межах кожного представницького об'єму. При цьому робота, яка витрачається на подолання сил тертя в межах кожного формування зерен буде визначатися жорсткістю цього формування. Жорсткість квазістабільних формувань МАІ визначається силою взаємодії між окремими намагніченими частинками і пропорційна величині , де - магнітні моменти частинок, - відстань між частинками. Враховуючи, що: , де - об'єм частинки, - напруженість магнітного поля, стає зрозумілим різниця у значеннях для великих і дрібних нерівновісних частинок порошків. Визначальним стає об'єм кожної частинки, ступінь їх нерівновісності та відстань між частинками у межах представницького об'єму, яку нескладно оцінити з даних про щільність МАІ.