автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение стойкости режущего инструмента путем комбинированной магнитно-импульсной обработки

На правах рукописи

□ОЗОбЗЭО1

Козлюк Андрей Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПУТЕМ КОМБИНИРОВАННОЙ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.03.01, - Технологии и оборудование

механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

Барнаул - 2007

0 7 ИЮН 2007

003063901

Работа выполнена в Бийском технологическом институте (филиал) ГОУ ВПО «Алтайский государствешгый технический университет имени И-И. Ползу нова».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Овчаренко Александр Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Рахимянов Харис Максуманович

кандидат технических наук, доцент Иконников Алексей Михайлович

Ведущая организация Кузбасский государственный технический

университет, г. Кемерово

Зашита состоится «28» шоня 2007 г. в^час.^мин. на заседании диссертационного совета К 212.004.02 при ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова» по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

I

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова».

1

Автореферат разослан « » мая 2007 г. \

Ученый секретарь диссертационного совета К2112.004.02, к.т.н., доцент

оС

Я

(ТП^

С.Я. Куранакоз

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Задача повышения стойкости режущего инструмента приобретает все большее значение в связи с увеличением механических, тепловых и других видов воздействий на него Для этого разработано большое количество методов поверхностного упрочнения, основанных на нанесении покрытий или на основе физико-химического модифицирования поверхностного слоя, направленных на повышение твердости и износостойкости. Значительная часть из них - это методы обработки с применением концентрированных потоков энергий, которые в настоящее время распространены недостаточно широко (электронное, лазерное и магнитное упрочнение) Актуальность исследований в этом направлении обусловлена сложностью и недостаточной изученностью механизмов и эффектов, сопровождающих процессы упрочнения поверхностных слоев изделий с заранее заданными свойствами в условиях высоких скоростей энергетического воздействия

Магнитное упрочнение на основе метода магнитно-импульсной обработки (МИО) обладает рядом преимуществ по сравнению с методами на основе воздействия других видов энергий, в частности: низкая себестоимость обработки, сохранение геометрии обработанных деталей, отсутствие расходных материалов, простота технологической оснастки и экологическая чистота В тоже время МИО не находит широкого применения в промышленности, так как имеет ряд недостатков, существенными го которых является, длительность обработки (при полициклической МИО используют от 2 до 10 импульсов с выдержкой до 20 мин), низкая эффективность обработки (повышение износостойкости осевого инструмента из быстрорежущей стали составляет 20-40%), применение дополнительных сред (феррожидкостей) и механизмов, обеспечивающих движение обрабатываемого инструмента в индукторе, автоматическую смену полярности и т д. В связи с этим актуальна проблема усовершенствования метода МИО с целью исключения существующих недостатков и разработка технологии упрочнения, позволяющей значительно увеличивать стойкость режущего инструмента из углеродистых, легированных и быстрорежущих инструментальных сталей. Применение с этой целью локализованного импульсного магнитного поля высокой напряженности в комбинации с предварительным индукционным нагревом значительно интенсифицирует процесс упрочнения, уменьшая время обработки, применяемые мощности и, следовательно, экономические затраты на его реализацию Несомненные достоинства этого способа потребовали разработки математической модели и экспериментальных исследований, что позволит выявить оптимальные энергетические и техноло-, гические параметры обработки для достижения наилучших физико-механических свойств обработанного поверхностного слоя.

Технология комбинированного магнитно-импульсного упрочнения апробирована для обработки режущего инструмента в ФГУП БПО "Сибприбормаш" (г. Бийск) и имеет большие перспективы для использования на многих машиностроительных предприятиях.

Целью диссертационной работы является повышение стойкости режущего инструмента путем применения магнитно-импульсной обработки с предварительным индукционным нагревом Задачи исследования:

- анализ существующих способов поверхностного упрочнения инструментальных сталей на основе МИО, выявление недостатков, ограничивающих их применение в промышленности,

- разработка математической модели процесса комбинированной МИО и установление технологических параметров обработки,

- экспериментальное исследование влияния температуры предварительного нагрева обрабатываемой детали и напряженности магнитного поля на эффективность процесса магнитно-импульсного упрочнения;

- разработка технологии комбинированной МИО.

Научная новизна работы:

- определен характер влияния напряженности импульса магнитного поля и температуры предварительного нагрева на относительное повышение твердости и износостойкости поверхностного слоя инструментальных сталей,

- разработана математическая модель комбинированной МИО, позволяющая прогнозировать изменение твердости поверхностного слоя стали в зависимости от напряженности импульса магнитного поля, параметров разрядного контура и параметров обрабатываемой стали;

- экспериментально установлена зависимость микротвердости от напряженности магнитного поля, от параметров обрабатываемой стали и от частоты разрядного тока и зависимость износа от температуры предварительного нагрева.

Практическая ценность работы:

- разработан способ комбинированного магнитно-импульсного упрочнения режущего инструмента, позволяющий увеличить стойкость сверл, метчиков, токарных резцов из инструментальных сталей в 1,4 -2,0 раза,

- разработана инженерная методика расчета инструмента (комбинированного индуктора),

- разработаны конструкции индукторов и рекомендации по выбору основного

оборудования для комбинированной МИО,

- полученные результаты диссертационной работы использованы при подготовке инженеров по специальности 151001.65 - технология машиностроения

Апробация работы

Научные результаты и положения диссертационной работы обсуждались на 7 научно-технических конференциях-

1) 3-ая, 4-ая, б-ая Всероссийские научно-практические конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (Бийск, 2003,2004,2006),

2) 3-ая, 5-ая ежегодные Всероссийские научно-практические конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (Новосибирск, 2005,2007);

3) Международная школа-конференция по приоритетным направлениям развития науки и техники «Фундаментальные и прикладные исследования по приоритетным направлениям развития науки и техники Современные технологические системы в машиностроении» (Барнаул, 2005),

4) Всероссийская научно - практическая конференция «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (Бийск, 2006),

5) По итогам конкурса Сибирской ярмарки - 2005 получена малая золотая медаль за эффективный способ упрочнения режущего инструмента и быстроизнашиваемых деталей машин путем комбинированной МИО;

6) Научно-технические результаты были представленны на Гановерской международной ярмарке (Германия) 16-21 апреля 2007

На защиту выносятся

- результаты теоретических и экспериментальных исследований комбинированной МИО инструментальных сталей,

- математическая модель процесса комбинированной МИО, описывающая зависимость между параметрами магнитного поля, электрическими параметрами разрядной цепи и физическими свойствами поверхностного слоя стали,

- методика инженерного расчета инструментов для комбинированной МИО и рекомендации для выбора основных узлов оборудования

Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных

работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы из 77 наименований и содержит 122 страницы машинописного текста, 53 рисунка Приложения к диссертации представлены на 15 страницах

Содержание работы Во введении выделены преимущества метода магнитно-импульсной обработки (МИО) по сравнению с другими методами поверхностного упрочнения Показана актуальность проблемы усовершенствования метода поверхностного уп-

рочнения инструментальных сталей на основе МИО

В первой главе проведен анализ методов поверхностного упрочнения сталей Рассмотрены работы ученых Барона Ю М., Бузыкина В Н., Галей М.Т. Гар-кунова Д Н, Есина А П, Кнопфеля Г, Малыгина Б В , Полевого С.Н, Преображенского А А. и других, посвященные исследованию процессов, протекающих в сталях под действием магнитного поля и разработке методов магнитного упрочнения Представлены особенности методов магнитной обработки (МО) и механизм магнитною упрочнения Показаны типичные недостатки существующих методов МО, ограничивающих их промышленное применение Применение комбинированной МИО по предложенному способу не только исключает недостатки стандартных методов МО, но и позволит достичь высокой эффективности поверхностного упрочнения.

Приведены механизмы изнашивания инструментальных сталей, а также влияние физико-механических характеристик сталей на износ. Определены основные факторы, влияющие на величину износостойкости инструментального материала, основным из которых является твердость поверхностного слоя. Показано что, для исключения хрупкого разрушения инструмента при динамических нагрузках, необходимо сохранение таких характеристик как пластичность и вязкость Применение комбинированной МИО позволяет повысить прочностные характеристики поверхностного слоя на глубину проникновения магнитного поля наряду с сохранением пластичности и вязкости сердцевины, что значительно увеличивает срок службы инструмента Представлены цели и задачи исследований

Вторая глава посвящена разработке математической модели, позволяющей установить зависимость между энергетическими параметрами разрядного импульса и прочностными характеристиками упрочненного слоя инструментальной стали, полученного после комбинированной МИО Процессы воздействия на сталь импульсов магнитного поля высокой напряженности в комбинации с индукционным нагревом зависят от большого числа физических явлений Моделирование последних предполагает рассмотрение энергетического баланса системы индуктор-заготовка, структурное изменение стали за счет вводимой энергии магнитного поля, изменение прочностных характеристик поверхностного слоя обрабатываемой стали, а также определение дополнительных эффектов при комбинированной МИО

Ограничиваясь плоским одномерным случаем, используем уравнение изменения напряженности магнитного поля по глубине и времени

Н(х, т) = Нте~8Те а'Хв,ш{ют - рфх\

(1)

I I с 2 2 (Я 1 S\ где a3 = ^//лтл/о +co cos — +—arctg—( - коэффициент затухания по

(

7t

— + _____0

Vf 2 o)

глубине, Рф - Sin ^ + arctg

— - коэффициент фазы; 3 - ко-а>)

эффициент затухания по времени, определяемый исходя из эквивалентного сопротивления и эквивалентной индуктивности индукторной системы; Н - напряженность магнитного поля, А/и, т - время, с; х - глубина по нормали к обрабатываемой плоскости, м; а - электропроводность, См; со - круговая частота, Гц; /л ~ магнитная проницаемость, Г/м

Изменения тока в индукторе принимаем в виде затухающей синусоиды

¡ = 1те~'5т втсот, (2)

где 1т - амплитудное значение силы тока, А

Через напряженность магнитного поля представляют энергию импульса магнитного поля, переданную в металл Эта энергия расходуется на следующие процессы: структурные превращения в металле за счет изменений в доменной структуре, локальный нагрев обрабатываемой детали за счет образования вихревых токов; импульсное сжатие со стороны рабочей области индуктора, что значительно снижает концентрацию остаточных напряжений в металле

Таким образов, МИО представляет собой комплексное воздействие на материал процессов изменения доменной структуры (структурных микропластических деформаций), механических упругих деформаций, а также тепловых импульсных потоков, локализованных в местах концентрации остаточных или усталостных напряжений. Соответственно лишь половина всей введенной в металл энергии импульса магнитного поля приходится на структурные изменения, и именно эта энергия в основном способствует изменению физических и механических свойств поверхности обрабатываемой детали. С учетом уравнения для напряженности магнитного поля (1) энергия определяется по формуле

Ж = 0,25 щ Н2 5 ($в + Ми*) , (3)

где цо - магнитная проницаемость вакуума, равная 4к 10"7 Г/м; /гд - относительная магнитная проницаемость, 5 - площадь рабочей поверхности индуктора, м2; -длина воздушного зазора, м; л - толщина скин-слоя, м

За счет этой энергии, согласно существующей модели упрочнения в металле возникают магнитострикционные деформации, сопровождаемые изменением доменной структуры материала и, соответственно, микропластической деформацией до-

менных стенок Поэтому для дальнейшего описания модели упрочнения используем теорию деформационного упрочнения Основной же причиной упрочнения связанного с пластической деформацией металла является увеличение плотности дислокаций и упругого взаимодействия их друг с другом

Создание магнитострикционных напряжений не только значительно способствует перемещению дислокаций к поверхности металла, что увеличивает их плотность, но и активизируют механизмы работы источников Франка-Рида

Учитывая энергию активации движения дислокаций (барьер Пайерлса) (4) и уравнение деформационного упрочнения, выраженное через объемную плотность дислокаций и твердость по шкале Виккерса (5), а также с учетом уравнения для вводимой энергии (3), получим зависимость для относительного повышения твердости (6)

Gab2 ' ' ~

AWn=-

4 а

Я

In а

(4)

/Vе

AHV-2?r(l-y) ' Gb(3+2ir{i-v))

(5)

(6)

2

АЯГ -КНЪ со6,

где а - параметр кристаллической решетки, м; Ъ - вектор Бюргерса дислокации, м; V - коэффициент Пуассона, в - модуль сдвига, Па; НУ - твердость по Виккерсу (ГОСТ 2999-75); К - коэффициент, зависящий от физических свойств материала, равный

G2b ст ¿¡2 (3 + 2;r(l - v))3

64 л-2 (1 -vf

4 а

,b(i~vr\ W-y)

2л а

(7)

Расчетные зависимости ожидаемого повышения микротвердости от напряженности импульсного магнитного поля для стали Р6М5 при различных частотах разрядного импульса приведены на рисунке 1а

Следует отметить, что при определении зависимости (б) не учтены 1) Влияние точечных дефектов - вакансий, примесных атомов и, главным образом, атомов легирующих элементов, которые также создают торможение передвижению дислокаций.

2) Влияние дислокационных барьеров в виде границ зерен, субзерен Подобные препятствия на пути движений дислокаций требуют дополнительного повышения напряжения для их продвижения и тем самым также способствуют упрочнению В этом случае роль эффективного барьера выполняют границы зерен и субзерен Зависимость упругого взаимодействия дислокаций

3) Влияние магнитной проницаемости металла, которая при увеличении напряженности магнитного поля значительно падает, что оказывает влияние на мик-рогошстическую деформацию в структуре металла

Принимая во внимание эти допущения, а также с учетом полученных экспериментальных результатов, в зависимость (б) введены поправочные коэффициенты А, В Это позволило получить уточненную зависимость вида (рисунок 16)

2 I

АН¥=АКН3о)6+ВН (8)

Тогда конечное значение поверхностной микротвердости определяем по формуле-

2 1

НУ - А К Н 3 ф 6+ В Н + НУ

о -

(9)

НУ

2,5 Н 10°, Айн

Н10\А/М

Рисунок 1 - Зависимости микротвердости стали Р6М5 от напряженности приложенного импульсного магнитного поля: а) при различных частотах разрядного импульса; б) уточненная и экспериментальная зависимости

На основе (9) определяем зависимость для определения напряженности магнитного поля для максимального увеличения поверхностной микротвердости в процессе комбинированной МИО.

Н„„т = 3,4 • \0Г*Къ<а2. О»)

На основе полученной оптимальной напряженности магнитного поля и геометрических параметров обрабатываемых деталей, с учетом энергетических параметров накопителя энергии разрабатывается специализированный инструмент (индуктор) для МИО.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям комбинированной МИО. Определение эффективности способа обработки и адекватности математического описания процесса МИО проводилось на лабораторной экспериментальной установке. Экспериментальные исследования состояли из нескольких этапов. Б качестве обрабатываемых инструментов были выбраны: спиральные сверла диаметром 5,8 и 18 мм ГОСТ 10902-77 и ГОСТ 2092-77 (этап 1), токарные проходные резцы ГОСТ 18869-73 (этап 2), метчики М18><2,5 (этап 3) Материал инструментов - сталь Р6М5.

В ходе первого этапа исследований определялась напряженность магнитного поля для максимального повышения микротвердости стали - оптимальная напряженность импульса магнитного поля, а также температура предварительного нагрева для максимального увеличения стойкости обработанного инструмента

В ходе второго и третьего этапа при найденных оптимальных параметрах обрабатывалась плоская поверхность (задняя поверхность токарного резца) и сложная поверхность (рабочая поверхность метчика)

Для определения корреляционной зависимости между поверхностной микротвердостью и величиной максимальной напряженности импульса магнитного поля необходимо определить зависимость микротвердости от глубины обработки и сопоставить ее с экспериментальной зависимостью диффузии магнитного поля в обрабатываемый материал Для этого из обработанных инструментов приготавливались микрошлифы для измерения микротвердости на разной глубине обработки Измерение проводилось с пятикратным повторением в каждой точке с последующей математической обработкой. Результат измерения микротвердости обработанного и необработанного сверла на разной глубине от поверхности ленточек и зависимость напряженности магнитного поля от глубины представлены на рисунке 2а, где напряженность магнитного шля определялась по уравнению (1) для параметров лабораторной установки и времени импульса с максимальной амплитудой.

С помощью совместного решения зависимостей, представленных в графическом виде на рисунке 2а, определялась экспериментальная зависимость микротвердости от напряженности импульса магнитного поля (рисунок 26), исходя из которой оптимальная напряженность магнитного поля для стали Р6М5 составляет 1200 кА/м

Рисунок 2 - а) распределение напряженности магнитного поля Н и микротвердости НУ по глубине х для стали Р6М5; б) зависимость микротвердости НУ от напряженности импульса магнитного поля Н

для стали Р6М5

Для определения повышения стойкости обработанного инструмента и оптимальной температуры предварительного нагрева проводились испытания партии спиральных сверл (диаметр 5,8 мм, стали Р6М5), обработанных при напряженности магнитного поля Нопх=1200 кА/м и различных температурах предварительного нагрева (без нагрева, 50 - 600 °С с шагом 50°С) по схеме представленной на рисунке 3. После обработки и через каждые 20 глухих отверстий глубиной 20 мм, просверленных в стали 16ГС, измерялась величина износа по задней поверхности инструмента с помощью измерительного микроскопа БМИ-21 Зависимости относительного повышения стойкости для сверл обработанных при разной температуре представлены на рисунке 4

к разрядной цепи к установке ТВЧ

Рисунок 3 - Схема комбинированной МИО спиральных сверл

и,%

Рисунок 4 - Зависимость относительного повышения стойкости II от температуры предварительного нагрева сверл Т

Обработка плоской поверхности (задняя поверхность резца) и сложной поверхности (рабочая поверхность метчика) проводилась при Н=1200 кА/м и Т=500 °С однократным импульсом с последующей выдержкой после обработки 24 ч Экспериментальные исследования износостойкости обработанных токарных резцов и метчиков показали увеличение последней на 42% для резцов и 61% для метчиков относительно стойкости необработанных инструментов. Критерием выхода из строя инструмента при этом являлся предельный износ по задней поверхности (1,5 мм) для резцов, и образование макродефектов (трещин, сколов) для метчиков

Анализ физической модели заключался в определении распределения величины напряженности магнитного поля в рабочей зоне индуктора В результате компьютерного моделирования процесса получены карты распределения напряженности поля при обработке различных инструментов, которые позволяют определить напряженность магнитного поля в любой точке в пределах рабочей зоны (рисунок 5)

Глубина и геометрия упрочненного слоя определяется главным образом напряженностью магнитного поля, частотой импульса разрядного тока, геометрией рабочей поверхности концентратора и зазором между ней и обраба гываемой поверхностью, который должен быть наименьшим, но гарантировать отсутствие электрического пробоя

Рисунок 5 - Карты распределения напряженности магнитного поля при максимальной амплитуде тока в разрядной цепи

Исходя из экспериментальных исследований и анализа физической модели для найденных оптимальных параметров обработки инструментальных сталей, глубина упрочненного слоя составляет 0,3-0,8 мм. Неравномерность упрочнения от 2 до 14% в зависимости от вида обрабатываемой поверхности. Следует отметить, что при обработке сложной поверхности максимальное удаление от рабочей поверхности концентратора не рекомендуется более 3,0 мм для исключения снижения эффективности обработки вследствие потерь энергии в зазоре.

Четвертая глава посвящена практическому использованию результатов исследований. Обоснован выбор структурной схемы источника тока зля комбинированной МИО, в качестве которой выбран бестрансформаторный источник импульсного тока. Достоинством этой схемы является возможность создания недорогих установок с простым схемным решением, которые могут быть привязаны к любым конкретным условиям при простом осуществлении автоматизации и контроля.

Разработана инженерная методика расчета инструментов (индукторов) для обработки деталей с различными формами поверхностей (плоская, цилиндрическая. коническая, сложная). Даны рекомендации по выбору накопителя, ошиноеки, зарядного и коммутирующего устройства, установки индукционного нагрева, необходимых защитных усгройств, а также рекомендации по изготовлению нндукто-ра.

Необходимо отметить, что установка для комбинированной магнитно-импульсной обработки состоит го двух основных блоков, блок формирования импульса и блок индукционного нагрева В качестве инструмента для обработки используется отдельный индуктор с концентратором магнитного поля, либо комбинированный индуктор, совмещенный с индуктором блока индукционного нагрева

Применение концентратора магнитного поля обусловлено тем, что при неизменной энергии заряда емкостного накопителя с помощью концентратора легко повысить напряженность магнитного поля локализацией его в меньшем объеме Его применение позволит в несколько раз уменьшить массогабаритные показатели установки в целом.

Предложен алгоритм расчета индуктора с концентратором магнитного поля с учетом предложенной расчетной зависимости (10) для различных инструментальных сталей и форм поверхности обработки, который в упрощенном виде представлен на рисунке 6. В результате использования алгоритма определяются такие параметры как геометрические размеры и материалы концентратора и индуктора в целом, напряжение заряда накопителя, допустимый цикл работы индуктора.

§ ф Ю X

¡о л

II

Рисунок б -

Алгоритм расчета индуктора для комбинированной МИО

Основные результаты работы

1. Усовершенствован существующий метод МИО, включающий предварительный индукционный нагрей обрабатываемого инструмента и использование индуктора с концентратором магнитного поля, что позволило увеличить стойкость режущего инструмента в 1,4 -2,0 раза.

2. Предложена математическая модель процесса комбинированной МИО, позволяющая определять оптимальные напряженное™ магнитного поля для различных инструментальных сталей в зависимости от физических свойств сталей и частоты разрядного тока.

3. Экспериментальные исследования влияния напряженности импульса магнитного поля и температуры предварительного нагрева на микротвердость поверхностного слоя инструментальных сталей подтвердили предложенную математическую модель процесса МИО. Для исследованных сталей предложена оптимальная температура предварительного нагрева, равная 500 °С.

4. Разработана инженерная методика расчета инструмента для комбинированной МИО, позволяющая определять геометрические параметры индуктора с концентратором магнитного поля и энергетические параметры основных умов оборуш-ваш1я для обработк и режущего инструмента из различных инструментальных сталей и с различными формами обрабатываемой поверхности.

Основные положения диссертации опубликованы в работ ах:

1. Козлюк, А.Ю. Усовершенствованная установка магнитно-им пульс ной обработки режущего инструмента / А.Ю. Козлюк, А.Г. Овчарен ко, С.А. Ольховой // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении: материалы 3-й Всерос. науч. - практ. конф. - Бийск: АлтГТУ, 2003. - С.) 05108.

2. Овчаренко, А.Г. Упрочнение деталей гидроаппаратуры методом комбинированной магнитно-импульс ной обработки / А.Г. Овчаренко, Е.Е. Приходько, А.Ю. Козлюк // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении: материалы 4-й Всерос. юбилейной науч. - практ. конф. -Бийск: АлтГТУ, 2004. -С.128 - 131.

3. Овчаренко, А.Г. Комбинированная магнитно-импульсная обработка как способ повышения износостойкости деталей сельхозтехники / А.Г, Овчаренко, А.Ю. Козлюк // Современные технологические системы в машиностроении: материалы междунар. науч. - техн. конф. - Барнаул: АлтГТУ, 2005. - С. 105107.

4. Овчаренко, А.Г. Комбинированная магнитно-импульсная обработка режущего инструмента / А.Г. Овчаренко, А.Ю. Козлюк II Обработка металлов. - 2004. -№2.-С.8-9.

5. Овчаренко, А.Г. Повышение из но состой кости деталей комбинированной магнитно-импульсной обработкой / А.Г. Овчаренко, А.Ю Козлюк // Обработка металлов. - 2006. - №2. - С .24- 26.

6. Козлюк, А.Ю. Разработка инженерной методики расчета оборудования для комбинированной магнитно-импульсной обработки / А.Ю. Козлюк, А.Г. Овчаренко II Ресурсосберегающие технологии в машиностроении: материалы 6-й Всерос, науч. - практ. конф. - Бийск: АлтГТУ. 2006. - С, 174177.

7. Овчаренко, А.Г, Улучшение качества экспериментов с применением САЕ-систем / А.Г. Овчаренко, А.Ю, Козлюк, Н,С, Кремнев // Управление качеством образования, продукции и окружающей среды: материалы 4-й Всерос. науч. -практ. конф. - Бийск: АлтГТУ, 2006. -С.2П-214.

8. Козлюк, А.Ю. Конкурентоспособность магнитно-импульсной обработки з машиностроении / А.Ю. Козлюк, А.Г. Овчаренко И Управление качеством образования, продукции и окружающей среды: материалы 4-й Всерос. науч. -практ. конф. - Бийск: АлтГТУ, 2006, - С.208 -211.

Козлюк Андрей Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПУТЕМ КОМБИНИРОВАННОЙ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ

Подписано в печать 18 04 2007 г. Печать ризшрафня. Заказ 2007 - 39

Объем - 1.41 Тираж 100 жз

Отпечатано к ИВЦ БТИ АлтГТУ 639305, Алтайский край, г. Бийск. ул. Трофимова, 27.

Введение.

1 Обоснование метода поверхностного упрочнения.

1.1 Влияние физико-механических характеристик сталей на износ.

1.2 Анализ методов поверхностного упрочнения сталей.

1.3 Особенности методов магнитной обработки сталей.

1.4 Механизм магнитного упрочнения сталей.

Выводы.

2 Моделирование комбинированной магнитно-импульсной обработки.

2.1 Диффузия магнитного поля в обрабатываемый металл.

2.2 Распределение энергии магнитного поля в металле.

2.3 Дислокационная модель упрочнения.

Выводы.

3 Экспериментальное исследование процесса комбинированной магнитно-импульсной обработай.

3.1 Описание экспериментальной установки.

3.2 Измерение импульсного тока.

3.3 Методика проведения эксперимента.

3.4 Результаты экспериментов.

3.4.1 Исследования обработки цилиндрической поверхности режущего инструмента.

3.4.2 Исследования обработки плоской поверхности режущего инструмента.

3.4.3 Исследования обработки сложной поверхности режущего инструмента.

Выводы.

4 Инженерная методика расчета оборудования для комбинированной магнитно-импульсной обработки.

4.1 Выбор структурной схемы комбинированной МИО.

4.2 Функциональная схема и эффективность установки для комбинированной МИО.

4.2.1 Оценка эффективности магнитно-импульсной установки.

4.2.2 Требования к основным элементам установки.

4.3 Методика расчета инструмента.

4.4 Рекомендации по конструктивному исполнению индуктора с концентратором магнитного поля.

Выводы.

Непрерывное развитие производства машин предъявляет новые, более высокие требования к технологии машиностроения вообще и методам изготовления деталей в частности. В развитии отрасли технологии машиностроения совершенствование и создание новых методов обработки является одной из важнейших задач, без успешного решения которой немыслимо и совершенствование отрасли в целом. С точки зрения эффективности производства совершенствование и создание новых методов обработки в сравнении с другими направлениями развитая отрасли дает наиболее высокий экономический эффект. В частности, он в 3 - 4 раза выше, чем эффект от реализации разработок в области автоматизации. По степени влияния на уровень производства новые методы обработки и технологии вызывают наиболее радикальные изменения, приводя к его революционным преобразованиям.

Одним из перспективных направлений является применение новых наукоемких технологий на основе физико-химического модифицирования поверхностных слоев деталей и инструментов, направленных на повышение твердости и износостойкости. Значительная часть из них это методы обработки с применением концентрированных потоков энергий, которые в настоящее время распространены недостаточно широко (электронное, лазерное и магнитное упрочнение) [1.6]. Актуальность исследований в этом направлении обусловлена сложностью и недостаточной изученностью механизмов и эффектов, сопровождающих процессы упрочнения поверхностных слоев изделий с заранее заданными свойствами в условиях высоких скоростей энергетического воздействия.

Магнитное упрочнение на основе метода магнитно-импульсной обработки (МИО) обладает рядом преимуществ по сравнению с методами на основе воздействия других видов энергий, в частности: низкая себестоимости обработки, сохранение геометрии обработанных деталей, отсутствие расходных материалов и дополнительных агрессивных сред, простота технологической оснастки и экологическая чистота. В связи с этим, актуальна проблема создания эффективного и гибкого метода поверхностного упрочнения на базе существующих методов МИО, а также разработки его ашгаратурно-технологического оформления. Применение с этой целью локализованного импульсного магнитного поля высокой напряженности в комбинации с предварительным индукционным нагревом значительно интенсифицирует процесс упрочнения, уменьшая время обработки, применяемые мощности и, следовательно, экономические затраты на его реализацию. Несомненные достоинства этого способа потребовали разработки физико-математической модели и экспериментального исследования, что позволит выявить оптимальные энергетические и технологические параметры обработки для достижения наилучших физико-механических свойств обработанного поверхностного слоя. [7. .11].

Целью исследования является повышение стойкости режущего инструмента путем применения магнитно-импульсной обработки с предварительным индукционным нагревом.

Задачами, соответственными поставленной цели, являлись:

- анализ существующих способов поверхностного упрочнения инструментальных сталей на основе МИО, выявление недостатков, ограничивающих их применение в промышленности;

- разработка математической модели процесса комбинированной МИО и установление технологических параметров обработки;

- экспериментальное исследование влияния температуры предварительного нагрева обрабатываемой детали и напряженности магнитного поля на эффективность процесса магнитно-импульсного упрочнения;

- разработка технологии комбинированной МИО.

Решение поставленных задач позволит создать эффективный метод поверхностного упрочнения сталей, что значительно увеличит стойкость различных и инструментов.

Первый раздел посвящен анализу существующих методов поверхностного упрочнения сталей; рассмотрению особенностей методов магнитной обработки и механизма магнитного упрочнения.

Втором разделе посвящен разработке физико-математической модели процесса МИО.

Третий раздел посвящен экспериментальным исследованиям, проводимым с целью выполнения следующих задач:

- доказательство преимущества комбинированного способа МИО, путем определения влияния температуры предварительного нагрева на микротвердость инструментальных сталей;

- определение влияния напряженности импульса магнитного поля на микротвердость инструментальных сталей и установление оптимальных величин управляющих параметров, позволяющих достичь максимальной эффективность упрочнения сталей;

- проверка адекватности математической модели процесса упрочнения и возможности ее применения для различных сталей;

- определение увеличения износостойкости обработанных инструментов по сравнению с необработанными.

В четвертом разделе обоснован выбор структурной схемы оборудования для комбинированной МИО и предложена методика инженерного расчета установок для обработки деталей с различными формами поверхностей исходя из условий наибольшей эффективности и произ вод ител ьности обработки.

В заключении перечислены основные результаты работы.

Данная работа выполнена с использованием лабораторной базы Бий-ского технологического института, кафедры «Производственная безопасность и управление качеством».

Автор выражает огромную благодарность научному руководителю Овчаренко Александру Григорьевичу за полезные замечания и консультации, поддержку и помощь в работе.

Выводы

1. Обоснован выбор структурной схемы комбинированной МИО.

2. Разработана методика расчета индукторов с концентраторами магнитного поля для комбинированной МИО деталей с различными формами поверхностей (плоскость, цилиндр, конус).

3. Даны рекомендации по конструктивному исполнению индуктора, а также представлены требования к основным узлам установки для комбинированной МИО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В итоге проведения исследовательской работы получены следующие результаты:

1. Усовершенствован существующий метод МИО, включающий предварительный индукционный нагрев обрабатываемого инструмента и использование индуктора с концентратором магнитного поля, что позволило увеличить стойкость режущего инструмента в 1,4 -2,0 раза.

2. Предложена математическая модель процесса комбинированной МИО, позволяющая определять оптимальные напряженности магнитного поля для различных инструментальных сталей в зависимости от физических свойств сталей и частоты разрядного тока.

3. Экспериментальные исследования влияния напряженности импульса магнитного поля и температуры предварительного нагрева на микротвердость поверхностного слоя инструментальных сталей подтвердили предложенную математическую модель процесса МИО. Для исследованных сталей предложена оптимальная температура предварительного нагрева, равная 500 °С.

4. Разработана инженерная методика расчета инструмента для комбинированной МИО, позволяющая определять геометрические параметры индуктора с концентратором магнитного поля и энергетические параметры основных узлов оборудования для обработки режущего инструмента из различных инструментальных сталей и с различными формами обрабатываемой поверхности.

1. Бровер, A.B. Проявление эффектов локальной пластической деформации в поверхностных слоях стали при обработке концентрированными потоками энергии // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. -№7(19).-С.27-31.

2. Рыкалин, H.H. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов / H.H. Рыкалин, A.A. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. М: Машиностроение, 1988. - 484 с.

3. Углов, A.A. Воздействие концентрированных потоков энергии на материалы // Материаловедение. -1997. № 5. - С. 3-7.

4. Баранка, В.Н. О структурных эффектах в зоне обработки материалов концентрированными потоками энергии / В.Н. Баранка, Ю.М. Дом-бровский, A.B. Шабаринов // Вестн. ДГТУ. 2003. - Т. 3. № 4 (18). - С. 445-451.

5. Малыгин, Б.В. Повышение стойкости инструмента и оснастки магнитной обработкой // Металлург. -1987. №10. С. 46-47.

6. Овчаренко, А.Г. Повышение износостойкости деталей комбинированной магнитно-импульсной обработкой / А.Г. Овчаренко, А.Ю. Козлюк // Обработка металлов. 2006. - №2. - С.24-26.

7. Козлюк, АЛО. Конкурентоспособность магнитно-импульсной обработки в машиностроении / А.Ю. Козлюк, А.Г. Овчаренко // Управление качеством образования, продукции и окружающей среды: матер. Всероссийской науч. практ. конф.- Бийск: АлтГТУ, 2006. - С.208-211.

8. Есин, А.П. Магнитно-импульсная обработка металлов / А.П. Есин, В.И. Пашкович // НИИМАШ. 1975. - Вып.14 (108) - С.42-49.

9. Овчаренко, А.Г. Комбинированная магнитно-импульсная обработка режущего инструмента / А.Г. Овчаренко, А.Ю. Козлюк // Обработка металлов. 2004. - №2. - С.8-9.

10. Современные технологические системы в машиностроении: сборник тезисов докладов межд. школы-конференции Барнаул: АлтГТУ. -2005.-С. 105-107.

11. Лоладзе, Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента / Т.Н. Лоладзе. -М.: Машиностроение. -1982. 320с.

12. Брюхов, В.В. Повышение стойкости инструмента методом ионной имплантации. Томск: Изд-во HTJI. - 2003. -120 с.

13. Когаев, В.П. Прочность и износостойкость деталей машин: Учеб. Пособие для машиностр. спец. вузов. / В.П. Когаев, Ю.Н. Дроздов М.: Высш. школа. -1991. - 319 е.: ил.

14. Заковоротный, В Л. Моделирование процесса изнашивания инструмента с помощью интегральных операторов / B.JI. Заковоротный, А.Д. Лукьянов, Д.А. Волошин, М.Б. Флек // СТИН. 2004 - №3 - С.9-14.

15. Лоладзе, Т.Н. Износ режущего инструмента / Т.Н. Лоладзе М.: Маш-гиз.-1958.-365с.

16. Леонов, A.A. Энергодинамический механизм изнашивания контактирующих пар // Станки и инструмент. -1989. №9. - С.45.

17. Сорокин, Г.М. Статистическое исследование взаимосвязи механических и триботехнических свойств сталей / Г.М. Сорокин, Б.П. Сафонов // Вестник машиностроения. 1997. - №8. - С.З.

18. Леонов, A.A. Влияние твердости материалов на изнашивание / A.A. Леонов, С.А. Леонов // Вестник машиностроения. 1991. - №9. - С. 11.

19. ГОСТ 2999-75 Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Вик-керсу.

20. Полевой, CJH. Упрочнение металлов: Справочник / С.Н. Полевой, В.Д. Евдокимов М.: Машиностроение. -1986. - 320 е., ил.

21. Футорянский, Ю.В. Эффективные методы упрочнения стальных изделий. Куйбышев, кн. изд-во. - 1978. - 88с.

22. Николаев, E.H. Термическая обработка металлов токами высокой частоты / E.H. Николаев, И.М. Коротан М.: Высш. школа. -1977.

23. Бернпггейи, М. Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. Т. 2. М.: Металлургия. -1968. -1171 е., ил.

24. Григорьянц, АЛ. Основы лазерного термоупрочнения сплавов / А.Н. Григорьянц, А.Н. Сафонов М.: Высшая школа. -1988. - 297 с.

25. Малыгин, Б.В. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин. М.: Машиностроение -1989. -112 е., ил.

26. Барон, Ю.М. Магнитно-абразивная и магнитная обработки изделий и режущих инструментов Л.: Машиностроение. -1986. -172 с.

27. Бернштейн, МЛ. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле / M.JI. Бернштейн, В.Н. Пустовой М.: Машиностроение. -1987.-256 с.

28. Бороухин, Ю.А. О стойкостных зависимостях сверл, подвергнутых магнитной обработке // Труды Горьковского политехнического института. Вып. 39. -1977. - С 36-39.

29. Гаркунов, Д.Н. О природе повышения износостойкости деталей и инструмента магнитной обработкой / Д.Н. Гаркунов, Г.И. Сураинов, Г.Б. Коптяева // Трение и износ. -1982. №2. - С 496 - 498.

30. Галей, М.Т. Изучение влияния магнитного поля на стойкость быстрорежущего инструмента / М.Т. Галей, B.C. Ашехнин // Станки и инструмент. -1981. -№ 6. С. 31-34.

31. Макаров, АД. Некоторые вопросы влияния магнитного поля на стой-костные характеристики режущего инструмента // Труды Уфимского политехнического института. Вып. 77. -1975. - С. 176-178.

32. Винтер, Э.К. Магнитный резонанс в металлах. М.: Мир. - 1976. -486 с.

33. Патент 2244023 Российская Федерация, МПК7 С21 D 1/04, 9/22.

34. Способ повышения износостойкости металлорежущего инструмента из инструментальных сталей путем магнитно-импульсной обработки с предварительным нагревом и установка для его осуществления / А.Г. Овчаренко, С. А. Ольховой. Опубл. 10.01.05.

35. Артоболевский, И.И. Политехнический словарь. М.: Советская Энциклопедия. -1976. - 608 е., ил.

36. Преображенский, А.А. Теория магнетизма, магнитные материалы и элементы. Учебник для специальности «Полупроводники и диэлектрики» вузов. М.: Высш. школа. -1972. - 288 е., ил.

37. Полетаев, В.А. Курс лекций- http://www.ispu.ru/librarv/lessons/poletaev/

38. Бабичев, А.П. Справочник инженера-технолога в машиностроении / А.П. Бабичев и др. Ростов н/Д.: Феникс. - 2005. - 541. е., ил.

39. Кнопфель, Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир. -1972.

40. Нестерин, В.А. Оборудование для импульсного намагничивания и контроля постоянных магнитов. М.: Энергоатомиздат. - 1986. - 88 с.

41. Малыгин, Б.В. Магнитное упрочнение рессор и пружин / Б.В. Малыгин, С.А.Тихонов, С.А. Меньдельсон // Металлург. 1987. - № 10. -С 46-47.

42. Малыгин, Б.В. Магнитно-импульсное упрочнение деталей машин и инструментов / Б.В. Малыгин, И.А.Семенникова //Станки и инструмент. -1989. № 4. - С. 13-16.

43. Бузыкин, В.Н. Ударная вязкость и структурные изменения в быстрорежущей стали после ОИМП / В.Н. Бузыкин, Н.А. Бутылкина, А.Е. Лукьянов // магнитные и другие нетрадиционные технологии. Ботев-град.-1989. -С. 218-223.

44. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидоркин, Г.Ф. Косолапое и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение. -1986. - 384 е., ил.

45. Фридель, Ж. Дислокации. М.: Мир. -1967. - 643 с.

46. Колбасников, Н.Г. Физические основы прочности и пластичности металлов: Учеб пособие. СП.: издательство СПбГПУ. - 2004. - 92 е., ил.

47. Никитенко, В.И. Подвижность дислокаций в потенциальном рельефе Пайерлса. // Динамика дислокаций. Киев.: Наукова думка. - 1975. -С. 7-26.

48. Ерофеева, СЛ. Подвижность дислокаций в кристаллах / С.А. Ерофеева, Ю.А. Осиньян // Динамика дислокаций. Киев.: Наукова думка. -1975.- С. 26-30.

49. Китель, Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука. - 1978. -790 с.

50. Хирт, Дж. Теория дислокаций / Дж. Хирт, И. Лоте. М.: Атомиздат. 1972.-599 с.

51. Фрид ель, Ж. Дислокации. М.: Мир. - 1967. - 623 с.

52. Свойства элементов: Справочник / Под ред. Самсонова. М.: Металлургия. -1967. - 599 с.

53. ГОСТ 14959-79 Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. Технические условия.

54. Осипьян, Ю.Я. Дислокационная физика твердого тела / Ю.Я. Осипьян,1. B.И. Никитенко. М. -1985.

55. Аргон, А.С. Физика прочности и пластичности. М.: Металлургия. -1972.-С. 186-214.

56. Никитенко, В.И. Подвижность дислокаций в потенциальном рельефе Пайерлса. // Динамика дислокаций. Киев.: Наукова думка. - 1975.1. C. 7-26.

57. Котрелля, Л.Х. Дислокации и пластическое течение в кристаллах. -М.: Металлургиздат. -1958. 267 с.

58. Кошин, Н.И. Справочник по элементарной физике / Н.И. Кошин, М.Г. Ширкевич 10-е изд., испр. и доп. - М.: Наука. - 1988. - 256 е., ил.

59. Металловедение и термическая обработка металлов. Учебник для вузов. 3-е изд. М.: Металлургия. -1984. 360 с.

60. Панин, В.В. Измерение импульсных магнитных и электрических полей / В.В. Панин, Б.М. Степанов М.: Энергоатомиздат. - 1987. - 120 е., ил.

61. Мязии, В.П. Бесконтактное измерение сильных импульсных токов /

62. B.IL Мязин, В.В. Панин, В.В. Паршин // Электронная измерительная техника. М.: Атомиздат. - 1978. - Вып. 1.

63. Гулый, Г.А. Высоковольтный электрический разряд в силовых импульсных системах / Г. А. Гулый, П. П. Малюшевский. Под редакцией Г. А. Гулого. Киев: Наук, думка. -1977.

64. Аленнн^С.В. Анализ метрологических характеристик индукционных электрометрических преобразователей / C.B. Аленин, В.В. Панин, В.В. Паршин. М.: Энергоатомиздат. -1983.

65. Богомолова, Н.А. Практическая металлография. М.: Высш. школа. -1987.-240 с.

66. Черток, Б.Ё. Лабораторные работы по технологии металлов. М.: Машиностроение. -1969. - 208 с.

67. Мальцев, П.М. Основы научных исследований / П.М. Мальцев, Н.А. Емельянов Киев: Вища школа. Головное изд-во. -1982. -192 с.

68. Андриевский, Е.А. Измерение параметров постоянных магнитов. -Киев: Техника. -1977. -152 с.

69. Бочка рев, О.В. О намагничивании постоянных магнитов от импульсных конденсаторных установок // Электротехника. 1971. - №6. -С.52-53.

70. Кучинский, Г.С. Высоковольтные импульсные конденсаторы. JL: Энергия. -1973. -176 с.

71. Белый, ELB. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов / И.В. Белый, С.М. Фертик, JI.T. Хименко. Харьков.: Вища школа. -1977.-168 с.

72. Степанов, В.Г. Высокоэнергитические импульсные методы обработки металлов / В.Г. Степанов, И.А. Шавров. Л.: Машиностроение. -1975. -278 с.

73. Постников, С.Н. Влияние импульсных полей на усталость быстрорежущей стали / С.Н. Постников, A.A. Черников // Электронная обработка материалов. -1981. №4. - С. 65-68.

74. Способы испытания металлов и сплавов. Справочник / Под ред. А.И. Власова. М. Машиностроение. - 1983. - 320 с.

75. Методика измерения микротвердости

76. Метод измерения микротвердости на приборе ПМТ-3 основан на измерении линейной величины диагонали отпечатка, получаемого от вдавливания алмазной пирамиды в исследуемый материал с определенной нагрузкой.

77. В первую очередь, для получения отпечатка и его измерения, проверяется чувствительность нагружающего механизма, и регулируется в случае ее нарушения.

78. Далее производится проверка (определение) масштаба увеличения.

79. Перед началом работ на приборе необходимо проверить его центровку. Микротвердомер должен быть отцентрирован так, чтобы отпечаток, получаемый от вдавливания алмазной пирамиды, располагался приблизительно в центре поля зрения.

80. Выполнение работ по измерению микротвердости на приборе ПМТ-3 организуется следующим образом:

81. Контролируемый образец закрепляется на планке предметного столика таким образом, чтобы измеряемая поверхность располагалась параллельно рабочей плоскости столика.

82. На утолщенную часть штока нагружающего механизма помещается груз (для проведения измерения использовался груз массой 100 г.).

83. При крайнем правом положении столика выбирается место на объекте.

84. Предметный столик поворачивают против часовой стрелки до упора, избегая толчков при подведении его к упору.

85. Медленным поворотом рукоятки арретира против часовой стрелки опускают шток до касания алмазом поверхности исследуемого образца, и после выдержки (5 сек.) рукоятку возвращают в исходное положение.

86. Предметный столик поворачивают в прежнее положение до упора.

87. При помощи окулярного микрометра измеряют диагональ отпечатка.

88. Рисунок 1 Изображение измерения диагонали отпечатка

89. Производят отсчет по измерительному барабану окуляр-микрометра. Разница отсчетов, деленная на коэффициент масштаба, дает измеренную величину диагонали отпечатка.

90. Значение твердости определяют по графику, в зависимости от величины диагонали отпечатка.