автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности магнитно-абразивной обработки. Оптимизация геометрических параметров рабочей зоны

РГ6 од

2 8 ИЮИ 1393

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГЮЛИ1ЕХШЧЕСКАЯ АКАДОШ

на правах рукописи экз. N2 -

АЛИ Хуссейн Кадхум

ПОВЫПЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МА ГНИТНО - АБРАЗИВНОИ ОБРАБОТКИ. ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ

05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и ийструменг 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1993

Работа выполнена в Белорусской государственной политехи ческой академии.

Научный руководитель - Академик АН РБ, доктор техничесю

наук, профессор ЧАЧШ В.Н.

Официальные оппоненты. Академик АН РБ, доктор техничесю

наук, профессор ЯШЕРИЦЫН П.И., кандидат технических наук, с.н.с. КОЖУРО Л.М.

Ведущее предприятие - Минское станкостроительное произволе венное объединение им. Октябрьской • Революции

Залцгта состоится - 29 " июня 1ээз года в " -/О"0 •• часов заседании специализированного совета К 056.02.07 в Белорусок государственной политехнической академии по адресу: 220027 , г. Минск., пр-т Ф.Скорины, 65, корпус 1, ауд. 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусок государственной политехнической академии.

Автореферат разослан мая 1993 года.

Ученый секретарь специализироваыого совета канд идат технических наук доцент

Белорусская государственная политехническая академия, г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИЛИСА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных направлений научно-технического прогресса в области обработки материалов является возрастание роли финишных операций, предназначенных для получения необходимого состояния рабочих поверхностей деталей машин и приборов, которое определяет износо- и коррозионную стойкость, усталостную .прочность, контактную жесткость, прочность и качество покрытой, адгегию и др. эксплуатационные свойства деталей. Широкие возможности в формировании физико-механического состояния поверхностей заложены в технологиях основанных на методе магнитно-абразивной обработки (МАО). В связи с этим особую важность преобретаггг исследования закономерностей формирования обрабатывающего инструмента при МАО, определяемых геометрическими параметрами рабочей зоны.

Цель рабсуы . Повысить эффективность технологий, основанных на методе магнитно-образивной обработки, путем исследования и оптимизации геометрии рабочей зоны.

Объект исследований. Процесс магнитно-абразивной обработки по схеме с вращающимися полюсными наконечниками.

Научная новизна. Разработана метоика расчета характеристик магнитного поля в локальных областях, позволяющая расчитывать пондеромоторные силы, действующие на ферромагнитное зерно в зоне обработки. По разработанной методике, реализованной в программах для ЭВМ, рассчитаны распределения пондеромоторных сил в рабочих зонах различной конфигурации, получаемой в результате варьирования геометрическими параметрами концентраторов полосных наконечников во всем диапазоне целесообразном для практического примене-

ния. На основании анализа распределений пондеромоторкых сил и их влияния на эффективность магнитно-абразивной обработки определен характер формирования физико-ьеханических свойств обрабатывающего инструмента - порошковой ферроабразивкой массы и его воздействия на обрабатываемые поверхности при магнитно-абразивной обработке.

Техническая новизна. Получены зависимости производительности и изменения шероховатости обработанных поверхностей от сочетаний геометрических параметров концентраторов полисных наконечников и силовых факторов, определяемых распределением пондеромоторкых сил.

Определен различный характер влияния геометрических параметров рабочей зоны на эффективность процесса при магкитно-абраз'ив-ной обработке немагнитных и ферромагнитных деталей.

Практическая ценность и реализация работы. Определены количественные зависимости эффективности процесса магнитно-абразивной обработки от геометрических параметров рабочей зоны, позволяющие выбирать юс оптимальные значения. Дан ряд рекомендаций по конструкциям полюсных наконечников при проектировании станков.

Внедрение полисных наконечников в конструкции станков кюд. 8.014,8.022 и СЛ-юо позволило повысить их производительность на ю-15 х при уменьшении шероховатости на 5-8 *. ,

Апробация работы. Основные положения дассерггации доложены и обсуждены:

- на конференциях профессорско-преподавательского состава Белорусского политехнического института гэвэ и 1990 г.г.;

- на XIX научно-технической конференции "Гагаринские чтения-в г. Москве 1ээз г. ;

- на научно-техническом семинаре в г. Тула 1992 г.;

- ка заседании кафедры -Технология машиностроения" БГПА;

- на заседании коллектива научно-иювенерной ффмы -ГЬлимаг"

ЗГПА.

Публикации. ГЬ результатам выполненных исследований опубли-совано 2 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 1яти разделов, выводов, списка литературы, пршкяЕний и изложена а 175 страницах машинописного текста с таблицами, зг рисун-сами, списком литературы из эз наимэнований и приложениями на 25 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе описаны основы процессов мапоггно-абразив-юй обработки, принципиальные схемы оборудования для ее реализа-цш; даны обзор результатов исследований эффективности обработки, ¡акономерносгей формирования обрабатывавшего инструмента, его ¡заишэдействия с обрабатываемыми поверхностями, методы исследова-гай и пути повышения эффективности технологий, определены направ-[ения и задачи исследований.

Технологии, на основе метода магнитно-абразивной обработки, ггнослтся к финишным и стали развиваться с 70-х годе» благодаря [сследованиям белорусских ученых . (Коновалов Е.Г., Чачин В.Н., Са-улевич Ф.Ю.. Хомич Н.С. и др.).

Изучение' литературных данных показывает, что эффективность вгншно-абразивной обработки, характерна уюияся прокзводителъ-юстью - объемный или весовой съем материала с обрабатываемых по-ерхносшй, и качествам обработанных поверяностав: макро- и иик-

рогеометрией, ^шико-механичвскими свойствами поверхностного слоя обработанной детали - определяется воздействием силового, температурного и магнитного факторов. Они формируются под влиянием ре-химамов обработки, материалов обрабатываемых деталей, свойств обрабатывавшего инструмента, представлявшего собой ферроабразивнус порошхову» массу, уплотненную магнитным гголем. Одним та важнейших факторов определясщк эффективность магнитно-абразивной обработки является величина и топография магнитного поля, формируемая геометрией рабочей зоны.

В проведенных исследованиях рассмотрены режимные факторы: кинематика формообразующее движений, СО/5, составы н размеры зерен ферроабраоивного порошка, величина магнитного поля и т.д. В значительно меньшей мере исследована топографы магнитного поля, формируемая геометрическими параметрами рабочей зоны. В тоже время ки одна схема реализации магнитно-абразивной обработки не обходится без кояцечтраторов магнитного поля на рабочих поверхностях полюсных наконечников. Причем они, кроме функции концентрирования поля, являются и бункермаи для объема порошка вытесняемого га рабочей зоны, вследствие вхозгдения в нее обрабатываемой детали, а такхе,служат для механической передачи движения от полисов к уплотненной нолем порошковой массе.

, Исходя из этого и в соответствии с целью настоящей работы были поставлены следуоцие основные задачи исследования:

1. Разработать общую методику теоретических и экспериментальных исследований влияния геометрических параметров рабочей зоны на эффективность обработки.

2. Разработать обшуо методику оптимизации геометрических параметров рабочей зоны устройств для магнитно-абразивной обрабог-

3. Установить зависимости топографш магнитного поля и сил,

дейтсвущих в рабочей зоне от ее геометрических параметров методом машинного эксперимента на базе численных методов расчетов .

4.Установить экспериментальные зависимости эффективности

магкитно-образивной обработки от геометрических параметров рабочей зоны.

5. Оптимизировать геометрические параметры рабочей зоны по критерия.! эффективности процессов обработки.

Во втором разделе представлена общая методика проведения исследования, включаемая в себя математическую модель магнитной системы установки для реалегаации иагнитно-гбразивкой обработки; методика расчета характеристик магнитного поля и пондеромоторных сил действующих на ферроабразиьное зерно в зоне обработки; методика экспериментального и численного исследований изменения критериев эффективности процесса обработки при варьировании значений геометрических параметров зоны обработки, позволяющая проанализировать закономерности формирования порошковой массы.

Рассматривается математическая модель в виде фундаментальных уравнений электромагнитного поля

го*Н : 7;

: О,

которая после известных преобразований, с помощью введения скалярного магнитного потенциала, трансформируется в

епнли^ - - Р , ('¿)

где: егааи^ - - Н;

н - напряженность магнитного поля;

в - индукция магнитного поля-.

I - ПЛОТНОСТЬ тока;

fia - магнитная проницаемость среды-. ов - скалярный магнитный потенциал; р - магнитные заряды.

Расчетная схема для исследуемой магнитной системы, рис. i, в соответствии с математической моделью, представляет собой область, имеющую граничные условия: слева зив/Эп = о-, внизу и вверху uii= о -, справа, на значительном удалении аи/Зп = о .

В этой области электрический ток моделируется дзуыя простыми слоями магнитных зарядов р по торцам и двойным слоем магнитных зарядов с моментом р по границе ыагнигопровсда от начала катушки до границы зоны, рис. г.

Характеристики магнитного поля н, и», в в исследуемой зоне для данной расчетной схемы находятся решением уравнения Пуассона (2), которое реализовано в программах для ЭШ. меггадри конечных элементов, с применением линейных шггерподяциошых полиномов. Данные программы разработаны и применятся в БГПА. НЙ5 -ГЬлимаг-. Для дальнейших расчетов взята значения скалярных магнитных потенциалов по контуру полисного наконечника в зоне обработки,и,.

Расчетная cxete для рабочей зоны, рис.з представляет собой область, включающую ыежпсшлснсе пространство с обрабатываемой деталью развернутое по средней линии рабочих поверхностей, полюсов. Граничные условия ксслвдуемзй зоны: слева й справа su^/fin - о . вверху и» = Dt- расчитакное по полной магнитной системе-, внизу ив= и2= - и . Характеристики магкитшго шля в узлах конечных элементов расчитываются по программе решением уравнения Лапласса (2)- при р = о .

Бондерсмсггорные сшш, действующие на ферромагнитное зерно.

Схема магнитной системы опытной установки мод. 8.011

2

ь

1 - полюсный наконечник;

2 - сердечник;

3 - катушка

-о

Схема расчетной модели магнитной системы опытной устаногчи мод. 8.011

Расчетная сзама для развертки рабочей зоны

Геометрические параметры рабочей зоны

= ХГ, б » Х-,; А = Х3; = Х4; Х5; с = Ь.;

а = Хг; б

с/ = сопзь.

Ряс. 4

расчитываются по известным формулам:

Fx = m gradBx;

(3)

Fy = m gradBy,

где ¡г - магнитный момент ферромагнитного тела

gradBx = gradíJaH = (AagradHx 1 Hi gradJJa,

при ц»- const, для каждого зерна без влияния других ферромагнитных тел gradfia = о.

Как видно из (з) расчет пондеромоторных сил определяется производной магнитного поля ( н или в) второго порядка, которую невозможно вычислить при линейном интерполяционном полиноме конечного элемента. Поэтому была разработана матрица "жесткости" для конечного элемента с интерполяциокньм полиномом второй степени в симплексных координатах. При использовании полинома высокой степени резко возрастает число узлов конечных элементов и соответственно чисуго решенных уравнений, что ограничено возможностями ЭВМ.

Для проведения численного эксперимента по определению влияния зоны обработки, которая, при постоянных рабочем зазоре и размере обрабатываемой детали, определяется геометрией концентраторов полюсных наконечников, она формализована шестью факторами, рис. 4: xt - ширина выступов концентраторов полюсных наконечников; х, - ширина впадин концентраторов; х3 - высота концентраторов; X4,xg - углы наклона боковых поверхностей концентраторов; х6 - величина сдвига полюсных наконечников на часть шага концентраторов .

Диапазон изменения этих факторов выбран так. чтобы их сочетания перекрывали все целесообразные конструкции полюсных наконечников .

В основу методики экспериментальных исследований заложен метод математического планирования эксперимента и для данного исследования выбран насыщенный план Ре:ггеафиера по шести независимом переменньм. Целесосбраз ко по этому лв плану проводить и численный эксперимент.

Таким образам единство методик получения зависимостей при экспериментальном и численном экспериментах позволяет получать при их анализе физические закономерности процессов в рабочей зоне при магнитно-абразивной обработке.

В третьем разделе дано описание экспериментальной установки, опытных образцов, технологические режимы проведение опытов, методика их проведения и измерения результатов.

В качестве критериев эффективности процесса магнитно-абразивной обработки выбрана производительность - объемный и весовой съем обрабатываемого материала, а также изменение параметра шероховатости две до и после обработки.

В основе обработки полученных экспериментальных данных лежат методы математической статистики: регрессионный, корреляционный и дасперсионный анализы.

Установлено, что при уровне доверительной вероятности в г о»95 регрессионные зависимости критериев эффективности имеют вид для немагнитных материалов

= 2.5 + 0.006х, - 2.97х^ + - 0.83х.х, +

« Э 1 I .> I б

+ о.озах х - г.гах х - о.оооо7х;хс + о.озх^х (4)

ь ч 45 56

й«ай= 0л1 - 0.31х* 4- 0.12х* - 0.1х* + 0.02х,х3+ 0.002х,х4 + 0.001x^5 + 0.05х,х6 - о.озх2х3 - 0.001хгх4 -- 0.045хгх6 4 0.0002х5 - о.оооозх,х5 + о.00018х^хб; (5)

Дгш ферромагниткых махириалов

о.ообз + о.озлх^ - о.азх* - 0.0004X3 - 0.004x^3 -- 0.0002х,х4 - о.ооогбх^д- 0.0065х1хв+ 0.005х2хэ+ + 0.0002х2хч4- 0.0002х2х3+ 0.006х2хв+ 0,000001хэх4; (6)

= ^.155 + 0.озхц- о.огх^х3* о.оогбх^,.; (7)

В четвертом разделе списано численное исследование характеристик магнитного поля в зоне обработки. Представлено описание алгоритма и программы расчета характеристик магнитного толя.

Разработанная программа сначала расчитывает характеристики магнитного поля во всей исследуемой области по линейному интерполяционному полиному, шутом выделяет локальнуп область с граничными условиями (иг), полученными в результате расчетов и пересчитывает характеристики магнитного поля, в том числе Ух и Ку, п.о квадратичному интерполяционному полиному для новых узлов конечных элементов.

По вычисленным характеристикам построены графические распределения векторов пондеромоторйых сил для всех сочетаний геометрических параметров. рабочей зоны. Расчитаны потоки составляющих пйндеромзторных сея г« н по линиям проходяаим через середину выступов и середину впадин концентраторов. Произведения данных потоков на шаг концентраторов л ш суша по соответствующим линиям выбраны в качеств© параметров характеризую^ силовые факторы при магнитно-абразивной обработке.

ГЬсле математической обработки получены регрессионные зависимости силовых факторов от геометрических параметров концентраторов полюсных наконечников.

В пятом разделе проведен анализ распределения гюндерсмтср-ных сил и зависимостей, полученных в результате теоретических и экспериментальных исследований.

П

Установлено, что пондеромоторные силы вблизи поверхностей тел с ферромагнитными свойствами (полюсные наконечники, обрабатываемая деталь) направлены к ним вследствие большого значения кгаам". При удалении от этих поверхностей основную роль играет вга<Шх и пондеромоторные силы направлены в сторону его увеличения. Анализ распределений этих сил в зависимости от геометрических параметров рабочей зоны показывает, что, если распределение сил изобразить как бы силовыми линиями, то они будут начинаться во впадинах концентраторов и стремятся заканчиваться на острых вершинах выступов, рис. 5.

При этом ферромагнитный порошок будет испытывать в различных зонах как растягивающие, так и сжимающие напряжения, образующие зоны с различной плотностью. Закономерность распределения этих зон на данном зтапе исследований определить невозможно. К тому хв при обработке, вследствие реологических являекий при движении порошка относительно обрабатываемых поверхностей, дополнительно возникает зоны с различной плотностью. Поэтому зависимость эффективности магнитно-абразивной обработки от геометрических параметров концентраторов исследовались сопоставлением регрессионных зависимостей полученных в результате экспериментов и численных расчетов.

Проведен аналз зависимостей силовых факторов лру, Дох, Руд, Гуе,?хл,Гхв; зависнмости критериев эффективности ,лпа от каждого геометрического параметра рабочей зоны при фиксированных около среднего значения других параметов, а также ед и ®а от силовых факторов.

Установлено, что геометрические параметры рабочей зоны в основном влияюгг на эффективность магнитно-абразивной обработки через силовые факторы. При этом их сияние комплексно, т.е. во взаимосвязи друг с другом.

Схема распределения сил в зоне медду полюсами

а)

6)

а) - для концентраторов с двумя вершинами;

б) - для концентраторов о одной вершиной.

Ряс. 5

а)

Оптимальная форма концентраторов полюсных наконечников

б)

а) - для немагнитных материалов;

б) - для ферромагнитных материалов.

Рис. 6

Для немагнитных материалов сочетания геометрических параметров обеспечивающее уменьшение приведенной суммы потоков по линиям проходящим через середины выступов и впадин концентраторов, и?х и увеличению приведенного перепада давлений по тем же линиям приводит к повышению производительности . Изменение же шероховатости несколько сложнее; сочетания геометрических параметров уменьшающее ДГх до среднего значения приводит к уменьшению шероховатости, а ниже среднего к увеличению; влияние АГу во всем диапазоне п:эст-оянно и чем оно больше, тем меньше шероховатость.

Данные сочетания обеспечивают наибольшее давление на обрабатываемую поверхность, при сохранении массы феррабразявного порошка в рабочей зоне.

Для .ферромагнитных обрабатываемых деталей резко увеличивается влияние приведенного перепада давлений , так как ферромагнетик перераспределяет пондероьклорные силы в слоях порошка непосредственно соприкасающихся с обрабатываемой поверхностью. В слоях ближе к поверхности полюсных наконечников силы сохраняют тот же характер, что и при немагнитной обрабатываемой детали, но составляющая увеличивается. Из анализа зависимостей следует, что на эффективность обработки основное влияние оказывают изменения силовых факторов вызванное ферромагнетиком, но в сочетании с геометрическими параметрами рабочей зоны. Характер этого влияния показывает, что увеличилось значение концентраторов как передаточного эвена движения от полюсов к обрабатывающему инструменту -порошковой массе..

На основании полученных количественных зависимостей определены оптимальные значения геометрических параметров рабочей зоны, обеспечивающие наибольшую производительность магнитно-абразивной обработки при получении наименьшей шероховатости обработанных поверхностей как немагнитных деталей так и ферромагнитных. Рис. 6.

в

ОШЖЬЕ ЕЬВОЛЬ!

1. В результате комплекса, проведенных экспериментальных: и: теоретических - исследований разработана методика определения физических закономерностей процесса магнигпго-абразивной обработки- в рабочей зоне.

г. Разработаны и реализованы в программах для ЗВМ методика и алгоритмы расчетов сил, дейсгвушях на. единичное зерно в магнитном поле, возшпсахззем в зоне обработки.

3. Установлено, что распределение пондерсмстзрных сил в зоне обработки имеет сложный. характер: вблизи поверхностей фврромаппгг-ных материалов (по' всей зоне) они направлены к ферромагнетику-, ео впадинах концентраторов сначала силы направлены к центру впадины и наруау до середины вькоты зуба, штсм к вершинам выступов концентраторов. Распределение гшнзерсмотсрньж сип тесно связано с геомет-ричестжи параметрами: рабочей зоны (парачютры. характеризуете геометрии концентраторов полисных каксннчниксв) к магнитными свойствами обрабатываемо!;! детали.

ГЬро22совая масса, предетазлягвдя ссбей рабочий инструмент, в результате действия псндерсмстесшз: спл кмвег зоны с растягивавшими к сжаеввая гапрязнпсяын, что ссстзетсггЕенно изменяет плотность порошка.

4. Установлено, что з^эктавнссть маппггнс-абразивнсй обработки:.- производительность ис излеяенив газрохсватсстгг - зависят от геометрических параметров рабочей: зоны через влияние псидерсмсто-рньсс сил; определены количвстзенкш заЕиешжсгя зф^Екхявноста гаг-1 нятнс-збразпвнсй обработки от силовых: факторов в рабочей, пене: пе-сепадсз давлений составлясЕЕгх псндерсъстстаых: сил и. слп.ги потеков ссставллетпг. гсндерсм1?тг.укых сил .

5. Установлено, что ссчэтгниз гесмнтрачЕсжк параметров, спо-

собствугацее увеличении давления на обрабатываемую поверхность, увеличивает эффективность магнитно-абразивной обработки. Определены оптимальные сочетания геометрических параметров полюсных наконечников, обеспечивающие максимальную эффективность магнитно-абразивной обработки. Для немагнитных обрабатываемых материалов концентраторы имесгг трапециедальную форму выступов и трегольную узкую впадину, а для обработки ферромагнитных материалов треугольную форму выступов и трапециедальную - впадин :

- ширина выступов концентраторов полюсных наконечников для немагнитных обрабатываемых деталей; о,5...о,7мм, для ферромагнитных:

О ... О,2ММ;

- ширина впадины концентраторов полосных наконечников для немагнитных обрабатываемых деталейо...о,2мм, для ферромагнитных:

0,5. . . 0 , 7ММ;

- высота выступов концентраторов полюсных наконечников для немагнитных обрабатываемых деталей : г, 5... з , омм, для ферромагнитных -, 2,5. . . 3 , ОММ ;

- углы наклона боковых поверхностей концентраторов полюсных наконечников для немагнитных обрабатываемых деталей: 70° ...80°, для ферромагнитных : 7Ос... 80°;

- величина сдвига полюсных наконечников на часть шага концентраторов как для немагнитных обрабатываемых деталей, так и для ферромагнитных обрабатываемых деталей существенного влияния не оказывает и мэхет быть равно нулю.

6. Установлено, что при обработке ферромагнитных деталей распределение пондеромоторных сил изменяется, следствием чего является уменьшение влияния геометрических параметров концентраторов через силовые факторы и увеличением их роли как бункеров для избытка порошка и в качестве звена, передавшего механическое движение от полюса порошковому обрабатывавшему инструменту.

7. ГЬлвснь® наконечники, спроектированные с оптимальными гео->.«етрическими парадатрами концентраторов, внедрены в конструкции станков для магнитно-абразивной обработки труб и прутков различных профилей - мод., а.014 и е .022, плоскостей и кромок под сварку -мод. СЛ-юо, что позволило увеличить производительность обработки на ю% .. . 15% и снизить параметры шероховатости на 5г. ... эх.

Основные положения диссертации опубликованы в следутхкгл работах :

1. !.Ьшолап C.B., Бань А.Г. , Алл Хуссейн Кадхум Технологические и энергетические характеристики процессов мапвггко-абра-зивной обрабагки//Электро^553ич5скке и электрохимические кетоды côpaczv "i в машиностроении : тез. дохл, семинара. Часть i - Тула.

1992 - С. 33-37.

Бань А.Г. , Али Хуссейн Кадхум Магнитно-абразивная обработка различных сплавов в методах повышения качества поверхности ф!®ганых технологий//xix ыолоделная научно-техническая конференция "ГАГАРИКСКИЕ ЧТЕНИЯ": тез. докл. Часть з. - М., 1ээз г. -С.22-2С.