автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Технологические процессы и оснастка для формования заготовок магнитопластов из порошков Nd-Fe-B

На правах рукописи

Самодурова Марина Николаевна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ОСНАСТКА ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ЗАГОТОВОК МАГНИТОПЛАСТОВ ИЗ ПОРОШКОВ ГЯД-Ре-В

Специальность 05.03.05 — «Технология и машины обработки давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск 2004

Работа выполнена в Южно-Уральском государственном университете

Ьа\ чный руководитель — доктор технических наук,

профессор Барков Леонид Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Мезин Игорь Юрьевич;

кандидат технических наук, зам. директора НПЦ «Блиц» (г. Челябинск)

Мымрин Сергей Александрович.

Ведущее предприятие — ЗАО "Каменный пояс"

(Челябинская обл.,г. Куса).

Зашита состоится в час мин на заседа-

нии диссертационного совета Д 212.111.03 в Магнитогорском государственном техническом университете им. ГЛ. Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова.

Автореферат разослан "_"__2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ю£. Жиркии

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На современном этапе развития науки и техники научно-технический прогресс невозможен без применения изделий из новых магнитотвердых материалов, отличающихся высокими магнитными характеристиками. К таким изделиям относятся изделия из магнитопластов на основе смесей порошка Ш-Ре-В с органической связкой. Изделия из магнитопластов по сравнению со спеченными изделиями из порошка ^-Ре-В отличаются более высокими эксплуатационными характеристиками и низкой стоимостью.

Традиционные технологии получения постоянных магнитов включают использование способов литья сталей состава Ре-Со—V, Ее-Си-№ и других. В начале 50-х годов XX века была разработана порошковая технология получения бариевых состава ВаРе^О 19 и стронциевых состава БгРепО]? ферритов. В 60-е годы создана порошковая технология получения первых высокоэнергетических магнитов на основе 5т и Рг. В настоящее время многие зарубежные фирмы и предприятия России, например Кусинский завод точных технических камней (КЗТТК, ныне ЗАО "Каменный пояс"), выпускают спеченные магниты состава ЗтСо5. Их максимальное энергетическое произведение (ВН)тах в 10... 15 раз превышает такое произведение для ферритов. В 80-е годы в Японии изобретена порошковая технология получения спеченных еще более высокоэнергетических магнитов состава ЫёзРемВ, их энергетическое произведение в 2 раза выше по сравнению с магнитами из БтСо;. Кроме того, магниты на основе N(1 не содержат остродефицитных и дорогих самария и кобальта. В последние годы фирмы Японии, США и Европы начали выпускать в массовом производстве изделия из магнитопластов на основе ферритов, 5т-Со и Ш-Ре-В, их (ВН)тах значитечь.чо ниже спеченных магнитов,, но технология изготовления изделий менее трудоемкая, более простая и энергосберегающая за счет устранения операции спекания.

В России в настоящее время нет крупносерийного и массового производства постоянных магнитов из магнитопластов на основе сплавов N<1-Ре-В, известны только опытные производства.

Одной из важных проблем, которая существует как за рубежом, так и в России является невозможность при использовании известных способов обработки давлением порошковых смесей получать изделия, например типа таблеток, втулок и пластин, высотой менее 5...8 мм.

При использовании самого распространенного способа получения изделий прессованием в закрытых пресс-формах минимальная высота заготовок ограничена прочностью прессовок при их выталкивании из пресс-формы. Поэтому для получения их минимальной высоты от 0,5 до 4 мм вводится дополнительная операция механической обработки.

Таким образом, для осуществления стремления российской промышленности зарекомендовать себя производителем в массовых Масштабах

тонких изделий из магнитопластов на основе сплавов №-Ре-В необходимо выполнить теоретические и экспериментальные исследования, разработать новые технологические процессы и оснастку для формования заготовок путем прессования и прокатки, что является важным и актуальным для электронной, электротехнической и других отраслей промышленности.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является на основе теоретических, экспериментальных исследований, разработок по новым технологиям и оснастке создание новой технологии и технологической оснастки для получения тонких изделий из магнитопластов на основе сплавов Ш-Ре-В.

Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи— на основе литературных источников, патентов и проспектов ведущих в мире фирм, изучено состояние и тенденции развития технологий производства порошковых изделий из магнитопластов в Японии, США, Европе и России;

— экспериментально исследованы операции подготовки порошков, подготовки смесей с различными связующими, прессования и прокатки заготовок типа таблеток, втулок и пластин, полученных при разных силовых условиях;

— выполнен анализ известных полимерных связующих, выбраны наиболее подходящие порошковые и жидкие связующие, исследовано ях влияние на процессы обработки давлением порошковых заготовок;

— разработаны конструкции устройств для исследования условий прессования и выталкивания заготовок из закрытой пресс-формы, определены коэффициенты трения при прессовании и выталкивании;

— сделан анализ и выбраны из известных в порошковой металлургии типов оборудования наиболее подходящее для подготовки порошка, приготовления смесей порошка М-Ре-В с феноло-формальдегидной связкой и формования образцов изделий типа таблеток, втулок и пластин;

— разработаны математические модели процессов формования: процесса прессования втулок в закрытых пресс-формах на основе решения упрошенных уравнений теории пластичности и процесса прокатки из пластифицированных смесей пластин на станах дуо на основе решения основного энергетического и вариационных уравнений, получены результаты реализации этих моделей;

— на основе анализа известных технологий, результатов выполненных экспериментальных и теоретических исследований, изобретений диссертанта, разработаны новая технология и оснастка для получения изделий типа тонких таблеток, втулок и пластин из смесей порошка Ш-Ре-В порошковой и жидкой смолой;

— внедрены результаты выполненных исследований в промышленное производство в виде технологической инструкции, новой конструкции двигателя с магнитами из магнитопластов на основе Ш-Ре-В и новой технологии получения изделий типа сегментов;

— разработаны конструкции устройств для прессования и прокатки тонких заготовок, а также исследования параметров трения.

Научная новизна:

— изучены процессы измельчения исходного порошка, рассева готового порошка на фракции, смешивания порошка со связкой, формования заготовок э ггоесс-формах, их уплотняемость при разных давлениях и содержаниях связки:

— выбраны наиболее подходящих для технологии и самые дешевые связующие в виде порошковой и жидкой смолы марки СФ-342А, изучено их влияние на процессы формования и технологические параметры прессовок и плоского проката, установлено рациональное содержание связующих в смесях;

— получены результаты исследования процессов формования заготовок типа таблеток и втулок и экспериментального определения коэффициентов трения в процессах прессования и выталкивания;

— созданы и реализованы математические модели процесса прессования заготовок типа втулок и процесса прокатки заготовок типа пластин из пластифицированных смесей; в основу первой модели положены основные дифференциальные уравнения теории пластичности, реологические уравнения Прантля-Рейса и условие пластичности для уплотняемой среды, при решении которых производные от компонент тензора напряжений по времени понимаются смысле Яумана, а решение осуществляется по разностной схеме сквозного счета типа Уилкинса, в результате решения получены кривые изменения плотности по высоте заготовок при их прессовании в пресс-формах, зависимости плотности прессовок от содержания связки и магнитных параметров от плотности; в основу второй модели положены основные энергетические уравнения в интегральном и дифференциальном виде и вариационное уравнение, при решении которых принята гипотеза плоских сечений и метод последовательных приближений, а решение дало возможность определить характер изменения плотности по длине очага деформации в процессе прокатки и построить алгоритмы расчета энергетических, силовых и кинематических параметров;

Практическая ценность:

— разработана технология и составлена технологическая инструкция процессов получения тонких изделий из смесей магнитного порошка марки МКЕ-1 и порошковой смолы марки СФ-342А;

— разработана технология процесса прокатки тонких изделий типа пластин из пластифицированных смесей;

— на уровне изобретений разработаны конструкции пресс-форм для прессованит тонких изделий типа таблеток и втулок;

— на уровне изобретений разработаны новый способ и устройство для прокатки тонких пластин высокой точности;

— разработан и изготовлен опытный образец новой конструкции электродвигателя и создана технология изготовления для него изделий типа сегментов из магнитопластов на основе Ш-Ре-В.

Реализация работы в промышленности. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению на ЗАО "Каменный пояс", Ашинском металлургическом заводе ГАМЗ) и ГП "Электромашина", ООО «Графитопласт».

ООО «Факториал». В результате замены существующей порошковой технологам получения спеченных магнитов на магнитопластовые изделия трудоемкость и стоимость их изготовления уменьшается в 2 раза. Внедрение новой конструкции двигателя с более дешевыми магнитами позволяет на 40 % снизить стоимость двигателя при этом существенно упрощается технология изготовления обмотки якоря, на 25...30 % снижается расход обмоточного провода и уменьшается масса двигателя почти в 2 раза.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях Челябинского государственного технического и Южно-Уральского государственного университетов в 1994—2003 годах; пятой Всесоюзной конференции "Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применение" (Ростов Великий, 1991 г.); научно-технической конференции "Разработка и освоение аморфных микрокристаллических материалов, технология их получения" (Киев, 1992 г.); Международной конференции по порошковой металлургии в аэрокосмической и оборонной промышленностях (Анахейм, США, 1995 г.).

Публикации. Содержание и результаты работы отражены в 13 публикациях, включающих 3 патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы, включающего 119 наименований, трех приложений. Работа содержит 150 страниц машинного текста, 41 рисунок и 43 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражено состояние производства изделий из магнитотвердых материалов и показана актуальность и значимость проблемы получения высокоэнергетических магнитов из порошков и смесей на основе Nd-Fe-B.

В первой главе проанализированы литературные источники, патенты и проспекты таких ведущих в мире фирм, как "SUMITOMO SPECIAL METALS", "GENERAL MOTORS", "KRUPP WIDIA MAGNETTECHNIK", "VACUUMSHMELZE" и др., по технологии, оснастке, оборудованию, по сортаменту получаемых порошковых магнитов и магнитопластов. Сделаны выводы о состоянии производства спеченных магнитов и магнитопластов в мире и России. Сформулирована цель и поставлены задачи для выполнения исследований в дайной диссертационной работе.

Вторая глава, во-первых, посвящена описанию сплавов Nd-Fe-B, выпускаемых в России, исследованию процессов подготовки магнитных порошков и их смесей со связкой к формованию образцов, формованию заготовок типа таблеток и определению свойств прессовок, полученных при разном содержании в них связки.

Процесс подготовки порошков Nd-Fe-B включает измельчение исходных материалов, определение формы и размеров частиц порошка, его рассев, деление ча фракции и определение магнитных свойств исходного материала и порошков. Для измельчения в холе исследовании использована мельница вибрационного

типа марки М-10-3. Характер влияния процесса измельчения на магнитные свойства порошков показан в табл. Ь

Таблица 1

Магнитные параметры

Материал В„Тл ! Нсв, кА/м (ВН)ММ, кДж/м

Исходная заготовка 0,75.. 0,85 ! 345. .420 64. 112

Первое измельчение 0,75—0.80 | 340 . 400 50 .6:

Второе измельчение 0.86 0,75 1 340 . 360 45 55

Из табл. 1 видно, что в результате измельчения такие магнитные параметры как остаточная индукция Вг, коэрцитивная сила по индукции Нс„ и максимальная магнитная энергия (ВН)^ снижаются. После измельчения исходных материалов методом оптической микроскопии с помощью микроскопа марки МБС-9 с 8-кратным увеличением определяли форму и размеры частиц порошка. Методика определения формы и размеров частиц порошка регламентирована ГОСТ 2340278. Исследования показали, что частицы порошка имеют осколочную форму. Фактор неравноосности частиц определялся, как отношение максимального и минимального размеров частиц, в среднем он равнялся 3. Размолотый магнитный порошок был рассеян с помощью вибросита марки ВС-2. Размеры ячеек сеток сита соответствуют ГОСТ 3584-73. Полученный порошок разделили на четыре группы фракций: +125... 160;+80... 100; +50...80 и-50мкм.

Для получения порошковых смесей в качестве связующих использовали полимерные материалы, марки которых приведены в табл. 2.

Таблица 2

Материал Марка ГОСТ, ТУ Агрегатное состояние

Феноло-формальдепиднаа смола СФ-343А СФ-342А ГОСТ 18694-80 ГОСТ 18694-80 Порошок

Клеи на основе модифицированных смол ВК-32-200 ВК-3 ТУ 6-17-223-62 ТУ 6-17-289-68 Вязкая жидкость

Эпоксидные порошковые композиции ПЭП-534 УП-280 ЭП-49С ТУ 45-342-84 ТУ 306-69 ТУ 2-417-70 Порошок

Связующие на основе новолачных и резольных смол ПБ марок А. Б, В ПК-104 А ТУ 6-69 ТУ-6-05-031-405-69 Порошок

Фоторезист ФН-5ТВ ТУ 14-14-162-67 Жидкость

Каучук . ... --------- . СКД-СР ТУ 38 1 03284-85 Твердый Жидкий >

В результате анализа выполненных предварительных исследований по формованию заготовок из смесей с разными связками были отобраны для дальнейших исследований следующие связки: фоторезист марки ФН-5ТВ, порошковая и вязкая смола марки СФ-342А и эпоксидный порошок марки ПЭП—534.

В процессе исследований среди большого количества известных смесителей

выбран смеситель типа "пьяная бочка", при загрузке которого на 3/4 объема продолжительность процесса смешивания равна 2 часам. Следует отметить, что Фоторезист, как связующее, имеет высокие технологические свойства, но, для достижения удовлетворительной текучести смеси, перед операцией формования вязкую смесь необходимо дополнительно подвергать грануляции, что увеличивает трудоемкость Кроме того, фоторезист в своем составе содержит серебро, г это повышает его стоимость. Связка марки ПЭП-534 также по стоимости превышает связку СФ-342А

В результате исследований по формованию заготовок установлено влияние процентного содержания связки марки СФ-342А на магнитные параметры прессовок Магнитные параметры определялись на прессовках, полученных при усилиях 800 МПа Увеличение содержания связки от 4 до 10 % приводит к значительному (на 10...20 %) снижению магнитных параметров. В качестве примера, на рис. 1 показан характер влияния содержания связки в смеси на 1 г''1!,

Содержание еввки. %

Рис. 1. Характер влияния содержания связки в смеси на (ВН)^

Рациональным содержанием связки следует считать 4...5 %. При солержании связки менее 4% прессовка при выталкивании из пресс-формы осыпается, а при содержании связки более 6 % прессовка расслаивается (разбухает)

Во-вторых, в главе 2 приведены материалы по исследованию технологических свойств порошков Ш-Ре-В, смесей и прессовок. Так, по ГОСТ 20899-75 определена текучесть порошка Ш-Ре-В и порошковых смесей со связками марок СФ-342А и ПЭП-534. В результате установлено, что указанные связки практически не ухудшают текучесть. Для порошка Ый-Ре-В и его смесей с полимерными порошками она равна 3 с. Текучесть смеси порошка Ыё-Ре-В с жидким ФН-5ТВ после грануляции равна 5 с. Исследования уплотняемости

смесей при формовании прессовок выполнены в соответствии с ГОСТ 252-80. В

<

процессе предварительных исследований давление прессования изменяли от ZOP до 800 МПа, а уплотняемость оценивали путем определения плотности прессовоч после их полимеризации. Установлено, что плотность прессовок, со связкой марки СФ-342А при увеличении давления прессования от 200 до 800 МПг возрастала от 3,90 до 5.60 г/см3, со связкой ПЭП-534 — от 3,90 до 5,80 r/см' и со связкой марки ФН-5ТВ — от 4,10 до 6,10 г/см3. В качестве примера на рис. 2 приведена зависимость параметра íBH)max от плотности.

Из рис. 2 видно, что увеличение плотности на 11 % приводит к возрастанию (ВЬОпи, на 42%. Значения параметров Bf, Нс, и Нсч также увеличивается: Вг на 20 %, Не. на 46 % и Но, на 39 %.

Выполнены также исследования по влиянию на величину плотности как удельного давления прессования в более широком диапазоне от 500 до 1500 МПа. так и содержания связующего марки СФ-342А в диапазоне от 2 до 7 % от массы прессовки. Подтверждено, что при содержании связки 2 и 3 % и прессовании при давлениях от 500 до 1500 МПа прессовки осыпаются, а при содержании езязкя более 6 % прессовки расслаиваются и разбухают. Магнитные свойства прессовок

Рис. 2. Влияние плотности прессовок на (ВН)тах

Таблица 3

Магнитные свойства магнитопластов на с различными типами связуюших

Тип связующего ) р, r'CMJ Н,., ь.А<ч ' Н ,,, в. ВН > , г."

i СФ-342А 1 5.3 5.6 :зо. 290 i 420 460 0 40 0.50 55 45

! ПЭП-543 5.5...5.8 250. 300 | 500 6U0 0.40 40 J0

ФН-5ТВ i э.9...6,2 >50 .380 i 800. .,000 >.55 0.60 ;0 5;

Из табл. 3 следует, что при необходимости получения прессовок с повышенными магнитными параметрами связку лапки '"Ф-342А можно заменить на более дорогие связки марок ПЭП-543 и ФН-^ТВ

Значительное влияние на технологию Формования и магнитные параметры прессовок оказывает и гранулометрический состав посошка Мс1-Ге-В Из каждой

фракции порошка изготовили прессовки, и после полимеризации установили их магнитные параметры (см. табл. 4).

Таблица 4

Магнитные свойства прессовок из порошков различного

гранулометрического состава

1 Фракции, мкм Магнитные параметры

В„Тл Нсв, кА/м | кДж/м

-50 0,74 343 43

+50 <0 0.75 386 51

*-80 .НЮ 0,74 377 | 45

+125.. 160 0,71 336 1 39

Табгт 4 показывает, что более высокие магнитные параметры получены на прессовках, изготовленных из фракций, равных + 50...80 мкм. Но, поскольку, группа фракций + 50...80 мкм составляет всего 20,4 %, то в исходный порошок этой группы фракций при разработке технологии добавляли порошки других групп фракций. Наиболее рациональный фракционный состав порошка Ыё-Ре-В и смесей со связкой марки СФ-342А определен путем исследования их насыпной и истинной плотности. Насыпная плотность, определенная по ГОСТ 19440-74, составила 2,4 г/см3, истинная плотность, определенная по ГОСТ 18898-73, составила 7,4 г/см3.

Все исследования по прессованию заготовок выполнены на опытной пресс-форме (рве. 3).

Рис. 3. Опытная пресс-форма: ! — верхний пуансон: 2 — матрица: 3 — опытный образец: 4 — нижний пуансон; 5 — сменная вставка: б — износостойкая вставка:

~ — корпус устройства 10

На пресс-форме можно получать таблетки диаме- эом от 5 до 20 мм. если менять вставку 6, и высотой от 1 до 20 мм, если менять вставку 5 и пуандон 1 Спроектировано и изготовлено устройство для исследования трения в процессах формования таблеток. Принцип конструкции этого устройства соответствует устройству, описанному В.Л. Колмогоровым в его работах. Отличия заключаются в том, что в матрице устанавливаются сменные втулки (см. рис 4). на контактные <~ пре'ссовкой поверхности пуансонов накладываются подложки, а нижний пуансон снабжен силоизмерительным прибором. Если втулки и пуансоны изготавливались из инструментальной стали, то коэффициент трения с прессовкой был равен 0,3...0,5. Если втулки и подложки изготавливались из фторопластовой бронзы, то коэффициент трения был равен 0,05.. .0,10.

Рис 4. Устройство для определения коэффициента трения: 1 —опорный диск; 2 —упорный подшипник; 3 — опорный диск- 4 — верхний пуансон 5 — прессовка: 6 — матрица; 7 — нижний пуансон: 8 — опорное колыго 9 — подложка; 10 — втулка из фторопластовой бронзы: 11 — расточка

На описанном устройстве выполнены исследования по трению на операциях прессования и выталкивания в двух вариантах В первом варианте на устройстве была установлена стальная втулка, а пуансоны не имели подложек В результате прессования получили таблетки диаметром 10 мм и высотой 1, 5 и 10 мм при удельных давлениях прессования, равных 40, 60 и 100 МПа, и с содержанием связки 3, 4 и 5 %. В качестве примера, в табл. 5 приведены значения коэффициентов трения на операциях прессования и выталкивания.

Из табл. 5 видно, что коэффициент трения, как при прессовании, так и при

выталкивании зависит от состава смеси и размеров прессовок. На операции выталкивания коэффициент трения выше, чем на операции прессования. Во втором варианте в матрице устанавливается втулка из фторопластовой бронзы, а на торцы пуансонов — подложки из этого же материала. В результате прессования таблеток диаметром 10 мм и высотой 3 мм коэффициент трения находился в пределах от 0.05 до 0,08. При выталкивании коэффициент трения менялся от 0.06 до 0.10.

Таблица 5

Коэффициент трения при прессовании (/, =100 МПа) и выталкивании

1 Состав смеси j Размеры прессовок d.xhi, их /яПРи прессовании ЛПР" выталкивании

Порошок Nd-Fe-B с 3% d,=10 h,=!0 0,48 0.59

связки марки СФ-342А ! d,=10.h,=5 0.47 0.49

! d,=10, h-=] 0,46 прессовка разрушилась

Порошок Nd~i-e~B с 4% | d,=10. h,=10 0,47 0,49

связки марки СФ-342А d,=10. h 0,46 0,48

d,=10. h =1 0.45 прессовка разрушилась

Пэпошок Nd-Fe-B с 5'Л d,=10. hi=10 0.46 0,47

связки марки СФ—342а d,=!0; h,=5 0.45 0,46

d =10. h|=i 0.43 прессовка разрушилась

На основе изучения всего многообразия известного в порошковых технологиях оборудования выбраны марки и приведены технические характеристики наиболее подходящего: для измельчения исходного материала, для сепарации порошка, для смешивания магнитного порошка и связки, для прессования и прокатки заготовок.

Третья глава посвяшена математическому моделированию процессов

прессования и прокатки заготовок из порошковых смесей магнитных материалов.

В результате анализа известных технических решений по прессованию в

закрытых пресс-формах, схема которого показана на рис. 5, з основу

разработанной модели положены дифференциальные уравнения движения

квазисплошной. квазиизотропной. сжимаемой, упруго-пластической и

упрочняющейся среды в цилиндрической системе координат

ост до 1 ост (о^-о I ]

—=.——i— s--г-К-+grp = o)rp,,

СГ ОФ Г CZ Г I

до.. Off— 1 да_ 1 |

or 0<р г Oz г 1

да до 1 5ст_ Эсг_ —rf"1-----1--

дг dp г oz oz г J

и уравнение неразрывности деформации

= 0. (2)

dt or т dtp г dz

Рис. 5. Схема пресс-формы (1), порошковой смеси в исходном положении (2), в процессе прессования до высоты Н (3) и положения пуансона (4) в исходном состоянии и (5) в процессе прессования

В качестве реологических уравнений для упруго-пластической среды приняты уравнения Прандтля-Рейса

<г = 3*£, (4)

где — составляющие девиатора напряжений; ц— модуль сдвига; £ —

составляющие скорости деформации; £— скорость относительного изменения

объема; 6у — символ Кронекера; а— среднее нормальное напряжение, к—

модуль объемного сжатия.

Использованное условие пластичности для уплотняемой среды имеет вил

где Т— интенсивность касательных напряжений; р — относительная плотность, <7 — напряжение текучести, значения функций

/,£}= а, (1 -р)'. |

/,{р)=7\ > (6)

где коэффициенты а,, а2, л,, п2 и и3 находятся из экспериментов

Реализация математической модели процесса прессования изделий выполнена при условии достаточно медленного течения материала путем

13

решения системы уравнений (1), (2), (3), (4), (5") и (6), удовлетворяющих следующим— начальным при / = 0,р = р„. = = = 0.к, =и. ~0 и — фаничным условиям при />0, когда на рабочей поверхности пуансона задано нормальное напряжение. принято условие прилипания смеси к инструменту, на поверхности контакта смеси с матрицей заданы силы трения /г в виде закона Кулона, на поверхности с основанием матрицы принято условие прилипания смеси Решение системы уравнений при условии непроникновения осуществляется с помощью разностной схемы счета типа Уилкинса. Результаты решения представлены в виде поля распределения плотности (рис. 6).

Рис с. Характер распределения плотности в заготовке, полученной пои прессовании с удельным давлением, равным 8 ООО кг/см2 и р; = 2.76 Г/см0

С использованием данных эксперимента, полученных методом его планирование, выполнено компьютерное прогнозирование плотности в зависимости от содержания связки, а также магнитных параметров Вг, НСР и (ВН)тах в зависимости от плотности прессовки, представленное в графическом вцде.

В результате анализа известных математических моделей по прокатке плоских заготовок из порошков и пластифицированных порошковых смесей в двух валках станов дуо, как показано на рис. 7, в основу разработанной модели

положены основное энергетическое

\l\THdv+х Яь к!

1 е,

7

'8)

и вариационное уравнение

Я/га * ¿г +1 Цг, к'| ¿о - Я^ • ч * & а о, У > а, 1 Гк

где Н *— интенсивность скоростей деформации сдвига для кинетически возможного состояния; ок *— вектор скорости полосы на поверхности контакта с валком для кинематически возможного состояния.

-ЗА

о;

т

?

ж

•б[>(х?

\

Рис. 7. Схема очага деформации при плоской прокатке

Уравнение (8) основано на принципе минимума полной энергии деформации. Действительное деформированное состояние рассматривается как предельное при решении уравнений (7) и (8) методом последовательных приближений. При построении математической модели приняты следующие гипотезы:

— гипотеза плоских сечений в очаге деформации при прокатке, когда <*х = "х = «г Р = Р(х)\

— гипотеза согласно которой приращение плотности в каждом яопеоечно.м сечении очага деформации пропорционально относительному пшоашению степени деформации в этом сечении

4о - 4\ 'п

п{) | о}иИ{х)

. п{х1 J \р(х)Г

(9)

где А—коэффициент пропорциональности; т и п (т> 1, п>2)— параметры характеризующие степень уплотнения в направлении прокатки.

Рис. 8. Кривые распределения плотности по очагу деформации (х = х/1) при /з, / ра = 1,29, а значения тип для разных кривых соответственно равны: —•— т=1, л=2; —*— т=2, л=2;

—о— т~1, л=3; —в— да=2,л=3

Для решения уравнения (8) требуется задать кинематически возможное поле скоростей по методу Ритаа. В качестве начального приближения при решении уравнения (8) методом последовательных приближений используется стадия процесса прокатки без поперечного течения материала.

В результате решения уравнения (9) получаем аналитическую функцию, по которой построены кривые изменения плотности проката по длине очага деформации, представленные на рис. 8.

Реализация модели позволяет определить геометрические, кинематические я силовые параметры процесса прокатки.

Четвертая глава. На основе анализа известных в мире технологий, оснастки и оборудования, разработанных такими самыми крупными в мире фирмами как SSM (Япония), GM (США), KRUUP WTDIA (Германия) и другими, а также выполненных опытных исследований разработана новая техноло! ия и оснастка для получения тонких изделий типа таблеток и втулок в закрытых пресс-формах.

Известная в мире технология прессования изделий а закрытых пресс-формах отличается наличием в процессе формования и выталкивания изделий чысоких сил и коэффициента трения на контактных поверхностях. Это приводит к чеолнорояному напряженно-деформированном^' состоянию тоессовок,

возникновению в них растягивающих напряжений и, как результат, к разрушению в процессе выталкивания из пресс-форм.

Цель совершенствования существующей технологии прессования изделий в закрытых пресс-формах заключается в снижении в 4... 10 раз сил и коэффициента трения на контактных поверхностях, что позволяет уменьшить усилит прессования, снизить боковое давление на прессовку и получать изделия высотой менее 5...8 мм. Снижение сил и коэффициента трения достигается путеь' использования в пресс-формах втулок и подложек из антифрикционного материала типа "металл - фторопласт". В качестве металлической основы использована пористая бронза, которую пропитывают жидким фторопластом Пористая основа из бронзы включала сферические порошки Си (90 %), Sn (10 %) или Си (88 %), Sn (6 %) и Zn (6 %). Пористость основы составляет 30...35 %

На опытной пресс-форме, показанной на рис. 3, установлены сменные втулки 6 внутренним диаметрами 5, 10, 15 и 20 мм, выполненные из фторопластовой бронзы, а на поверхности контакта сменных пуансонов 1 и 4 с прессовкой 3 установлены бронзофторопластовые сменные подложки. На такой пресс-форме выполнены исследования по получению таблеток минимальной высоты: при диаметре 5 мм минимальная высота равна 0,5 мм, диаметре 10 мм — 1 мм, диаметре 15 мм — 2 мм и диаметре 20 мм — 3 мм.

В процессе исследований усилия прессования меняли от 400 до 1 000 МПа, на прессовках полученных при этих усилиях, определяли плотность. В результате получена зависимость плотности прессовок из смеси порошка Nd-Fe-B со смолой марки СФ-342А от усилия прессования. Анализ зависимости показывает, что при прессовании с низкими значениями силы и коэффициента трения максимальная плотность, равная 6 г/см3, достигается при усилии прессования, равном 800 МПа, а дальнейшее увеличение усилия не приводит к повышению плотности.

С учетом недостатков, описанных в литературных и патентных источниках, пресс-форм и практики работы на опытных пресс-формах на уровне изобретений созданы новые конструкции пресс-форм для получения тонких изделий типа таблеток и втулок. Принципы конструкций пресс-форм по пат. РФ N« 2074553 и № 2100185 показаны на рис. 9.

Пресс-форма по пат. РФ № 2074553 включает в себя плитл 1. смонтированную на этой плите клиновую вилку 2, оснащенную приводом 3 горизонтального перемещения, матрицу 4 с прорезью в нижней части, нижний пуансон 5 со скошенным нижним торцем, верхний пуансон 6, подложку 7, размещенную на верхнем торце нижнего пуансона 5. центральный стержень 8. жестко закрепленный в плите 1. Боковая поверхность плиты снабжена указателем, а привод лимбом. Подложка может быть установлена и сверху прессуемой заготовки 9.

б).

Рис. 9. Схемы пресс-форм по: а) патенту РФ № 2074553; б) патенту РФ № 2100185

Пресс-форма по пат. РФ № 2100185 состоит из плиты 1. смонтированной ча ней матрицы 2 с прорезью на боковой поверхности, расположенного внутри матрицы 2 верхнего пуансона 6, подложки 5 и нижнего пуансона 3 с отверстиями на боковой поверхности и стержня 4. Прорезь на боковой поверхности матрицы выполнена по спирали, в ней установлены подшипники 7 на осях 8. у которых один конец закреплен в отверстиях на боковой поверхности нижнего пуансона 3, а другой выполнен резьбовым (с разным направлением резьбы) и на нем установлены фиксирующие гайки 9. Подложка может быть установлена и сверху прессуемой заготовки 10.

Анализ известных в мире технологий и оборудования, а также результаты выполненных опытных исследований положены в основу разработки новой технологии и оборудования для прокатки тонких пластин на станах дуо из пластифицированных органической связкой порошков Nd-Fe-B. В зарубежных технологиях прокатки пластин из порошковых смесей магнитных материалов в качестве связки используются вулканит, состоящий в основном из твердого и жидкого каучука. Поэтому в процессе прокатки и после прокатки пластины подвергаются эластическому увеличению размеров. По этой причине после выполнения операции вулканизации пластины должны подвергаться механической обработке, что увеличивает трудоемкость процессов получения пластин. Кроме того, как показали исследования по прокатке смесей порошка Nd-Fe-B с вулканитовой связкой на станах ОАО "Росси", многооперационные процессы подготовки вулканитовых связок и смесей с магнитным порошком отличается очень высокой стоимостью, трудоемкостью, требуют для своего выполнения большого количества металлоемкого и высокоэнепоемкого оборудования. Для прокатки необходимы дорогие и сложные по конструкции многоклетевые прокатные станы. Таким образом, для промышленного использования технология получения пластин из смесей магнитного порошка с вулканитовой связкой не рекомендуется.

Учитывая сказанное, новая технология получения тонких пластин предусматривает в качестве связок использовать порошковую и жидкую смолу марки СФ-342А. Предварительные исследования по прокатке смесей со смолой, выполненные на лабораторном стане дуо 150 ЮУрГУ и на чистовой клети луо 300 промышленного стана ОАО "Росси", показали, что прокат из таких смесей в процессе и после прокатки также подвергается эластическому увеличению размеров. Поэтому после выполнения операции полимеризации пластины необходимо подвергать механической обработке.

Для устранения указанного недостатка на уровне изобретений (пат. РФ X» 2104145) разработаны новый способ и устройство для прокатки тонких пластин повышенной точности размеров по высоте. Суть нового способа заключается в том, что после первого чистового прохода 1 (рис. 10) на этой же клети стана при том же самом зазоре между валками выполняются два дополнительных калибрующих прохода. Проход 2 выполняется против хода прокатки и проход 3 снова по ходу прокатки. В результате выполнения двух дополнительных

калибрующих проходов полностью устраняется эффект увеличения размеров проката в период чистового прохода и после прокатки. Это позволяет упростить технологию получения готовых тонких пластин, путем исключения операции их механической обработки, и получать супертонкие пластины. Особенностью тового устройства является применение на чистовой клети стана реверсивного привода. —------

В результате прокатки по новой технологии получены квадратные и прямоугольные пластины практически по всему сортаменту пластин, предусмотренному "Сводным каталогом постоянных магнитов". Геометрические размеры пластин: высота от 1 до 25 мм, ширина от 10 до 80 мм и длина от 10 до 100 мм. Для получения пластин минимальной высотой от 1 до 3 мм использовались исходные заготовки высотой 5 мм, а для получения пластин максимальной высотой от 20 до 25 мм использовались исходные заготовки высотой 30 мм. После резки проката на мерные изделия, их полимеризации и намагничивания выполнено измерение магнитных параметров пластин, которые чмеют следующие значения: Вг — от 0,4 до 0,6 Тл; Н^ - от 230 до 290 кА/м; Но, — от 420 до 630 кА/м; (ВЩ™ — от 40 до 50 кДж/м3.

По результатам выполненных исследований разработана технологическая инструкция для изготовления изделий из магнитопластов. Изделия из магнитопластов. изготовленные в лаборатории ЮУрГУ, использованы в качестве деталей статора принципиально нового микродвигателя постоянного тока, разработанного диссертантом совместно с учеными ЮУрГУ и работниками ГП "Электромашина" (г. Челябинск). На изделия типа сегментов предложена новая технология их получения. 20

Рис. 10. Способ прокатки по пат. РФ № 2104145:1 — чистовой проход; 2 и 3 — калибрующие проходы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе изучения информационных материалов ведущих в области производства постоянных магнитов фирм Японии, США, Европы и России установлены производители магнитных материалов и изделий, в том числе из магнитопластов. Выявлен сортамент и установлены способы производства изделий из магнитопластов. Определены недостатки известных способов производства изделий.

2. В результате экспериментальных исследований выбраны наиболее эффективные технологии и оборудование для подготовки исходных материалов из сплавов Ш-Ре-В, выпускаемых АМЗ. Установлены основные параметры процессов формования заготовок изделий из магнитопластов, определены форма и размеры частиц порошков, оптимальные по свойствам и стоимости типы связок и их содержание в смесях. Исследовано влияние содержания связок на технологию прессования заготовок изделий из магнитопластов в закрытых пресс-формах и прокатку в валках.

3. Исследованы технологические и физические свойства смесей и полученных из них формованием прессовок при разных давлениях. Определены зависимости магнитных свойств изделий от их плотности и плотности от содержания связки в смесях и удельного давления прессования. Установлены фракционный состав порошков и особенности технологии изготовления заготовок изделий, получаемых формованием из разных фракций.

4. Разработаны устройства для исследования технологии формования прессовок и трения на операциях прессования и выталкивания заготовок. Выполнены исследования по определению коэффициента трения. Выбрано промышленное оборудование выполнения операций измельчения, сепарации порошка Ыё-Ре—В и смешивания его со связкой.

5. Разработаны математические модели процессов прессования и прокатки заготовок.

Для разработки модели процесса прессования использован метод решения основных уравнений теории пластичности для квазисготошной, сжимаемой, упруго-пластичной, упрочняющейся среды. В качестве реологических приняты уравнения Прандтля-Рейса, используемые для упруго-пластических сред В результате реализации модели определены характер изменения плотности по высоте и сечению втулок и параметры прессования, спрогнозированы физические и магнитные свойства изделий в зависимости от содержания связки в смесях и плотности прессовок.

Для разработки модели процесса плоской прокатки применены энергетические уравнения, которые решаются методом последовательных приближений. В результате реализации модели установлен характер изменения плотноста по длине очага деформации. Определены кинематические и энергосиловые параметры процесса прокатки заготовок типа пластин из пластифицированных смесей. 21

6. Разработаны новая технология, оснастка и оборудование на основе изобретений для производства тонких изделий типа таблеток, втулок, круговых колец и пластин.

7. Результаты, полученные на основе экспериментальных, теоретических, технологических исследований и патентов диссертанта внедрены в промышленное производство. Разработана технологическая инструкция, новая конструкция двигателя с магнитами в виде сегментов и технология формования.

Основные положения диссертации опубликованы в работах.

1. Маркин В.В., Ошуев М.К., Самодурова М.Н. Применение магнитопроводов в сварочном блоке питания мощностью 4 кВт // Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применение. Тезисы 5-й Всесоюзной конференции. — Ростов Великий, 199!. —С. 28.

2. Гунькин В.Е., Самодурова М.Н., Маркин В.В. Изготовление прессованных изделий из быстрозакаленных магнитных материалов // Разработка и освоение аморфных и микрокристаллических материалов, технология их получения. Тезисы научно-технической конференции. — Киев, 1992. — С. 35.

3. Barkov L.A., Truskovskii V.l., Samodurova M.N. Investigating Magnetic Materials Basing Rapidly Solidified Powder // Powder Metallurgy in Aerospace. Theses of International Conference. —USA, 1995.— P. 135—136.

4. Новые технологии производства полуфабрикатов и изделий из порошков и порошковых композиций / Л.А. Барков, Е.В. Экк , М.Н. Самодурова и др. //Машины и технология прогрессивных процессов обработки материалов давлением: Сборник науч. тр. — Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1996. —С. 70—79.

5. Самодурова М.Н. История возникновения и производства постоянных магнитов // Машины и технология обработки давлением порошковых материалов: Сборник науч. тр. — Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1997. — С. 138—142.

6. Магнитопласты в конструкции двигателя постоянного тока для бытовой техники / В.Д. Константинов, Л.А. Барков, М.Н. Самодурова и др. // Там же. — С. 142—147.

7. Самодурова М.Н. Производство постоянных магнитов в Европе // Там же. — С. 147—157.

8. Барков Л.А., Трусковский В.И., Самодурова М.Н. Новые конструкции пресс-форм для прессования тонких изделий из порошков // Машины и технология обработки материалов давлением: Сборник науч. тр. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998, —С. 149—156.

9. Самодурова М.Н. Экспериментальное исследование процесса измельчения быстрозакаленного магнитотвердого сплава Nd-Fe-B // Машины и технология обработки материалов давлением: Сборник науч. тр. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1999, — С. 173—176.

10. Барков Л.А., Самодурова М.Н. Участок прокатки заготовок деталей машин на машиностроительном заводе // Технология и машины обработки

давлением. Труды ХХХП1 Уральского семинара. — Екатеринбург 2003 — С. 110—115.

11. Пат. РФ № 2074553. В22 F 3/03. Пресс-форма для прессования тонких пластин из порошкового материала / В.И. Трусковский. JI.A. Барков. МН Самодурова и др. // Опубл. 27.02.97. Бюл. № 6

12 Пат. РФ № 2100185. В24 D 18/00. Пресс-форма для прессования тонких пластин из порошкового материала / В.И. Трусковский, J1.A. Барков, М.Н Самодурова и др. // Опубл. 27.12.97. Бюл. № 36.

13. Пат. РФ № 2104145. В 24 D 18/00. Способ и устройство для производства инструмента на вулканитовой связке / Б.А.Чаплыгин. Л.А.Барков М.Н. Самодурова и др. // Опубл. 10.02.98. Бюл. № 4.

Издательство Южно-Уральского государственного

___университета_

Подписано в печать 27.12.2004 Формат 60x84 1/16. Пчать офсетная. Усл-печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 80 экз. Заказ 464/475.

УОП Издательства. 454080, г. Челябинск, пр. им. BJi. Ленина, 76.

<2669

РНБ Русский фонд

2006-4 10603

Введение.

1. Состояние и тенденции развития технологий производства порошковых изделий из магнитотвердых материалов.

1.1. История и состояние производства порошков и изделий из магнитотвердых материалов.

1.1.1. Способ производство магнитов в Европе.

1.1.2. Способ производство магнитов в США и Японии.

1.1.3. Технологии производства магнитных порошков, спеченных магнитов и магнитопластов в России.

1.2. Выводы, цель и задачи исследований.

2. Исследование процессов формования заготовок изделий из магнитопластов, выбор технологической оснастки и оборудования

2.1. Магнитные сплавы Nd-Fe-B, выпускаемые в России.

2.2. Подготовка исходных материалов.

2.3. Смешивание порошков сплавов Nd-Fe-B с различными связками

2.3.1. Определение рационального содержания связок в смесях.

2.3.2. Исследование процесса прессования заготовок, технологических свойств смесей и образцов изделий.

2.4. Определение содержания фракций в порошках сплавов Nd-Fe-B установление насыпной и истинной плотности порошков и смесей.

2.4.1. Определение содержания фракций в порошках сплавов Nd-Fe-B.

2.4.2. Установление насыпной и истинной плотности порошков

Nd-Fe-B и смесей со смолой.

2.5. Связующие для магнитопластов из сплавов Nd-Fe-B.

2.5.1. Известные типы полимерных связующих.

2.6. Конструкция устройств для исследования формования образцов и параметров трения при их прессовании и выталкивании

2.6.1. Конструкция пресс-формы для исследования прессования заготовок типа таблеток и цилиндров.

2.6.2. Конструкция устройств и иссследование трения при прессовании и выталкивании порошковых заготовок.

2.7. Оборудование и технология для приготовления смеси и формования изделий.

2.7.1. Оборудование и технология для измельчения исходного материала.

2.7.2. Оборудование и технология для сепарации порошка.

2.7.3. Смесительное оборудование и технология.

2.7.4. Устройства и технология для прессования изделий типа втулок и полых цилиндров.

2.7.5. Оборудование и технология прокатки плоских заготовок из порошковых пластичных масс.

2.8. Выводы по главе.

3. Математическое моделирование процессов прессования и прокатки порошковых смесей из магнитных материалов.

3.1. Анализ известных теоретических решений по прессованию втулок из порошковых материалов в закрытых пресс-формах

3.2. Математическое моделирование процесса прессования изделий типа втулок из порошковых магнитных материалов.

3.2.1. Основные уравнения.

3.2.2. Математическая модель

3.2.3. Реализация математической модели процесса прессования изделий типа втулок.

3.2.4. Компьютерное прогнозирвоание свойств порошковых магнитов из смесей сплавов Nd-Fe-B со смолой.

3.3. Математическое моделирование, процесса плоской прокатки пластичных порошковых смесей на основе сплавов Nd-Fe-B.

3.3.1. Анализ известных теоретических решений по плоской прокатке порошковых заготовок.

3.3.2. Модель пластической деформации плоских заготовок прокаткой пластифицированной массы в двух гладких валках.

3.4. Выводы по главе.

4. Разработка эффективных технологий, новой оснастки и оборудования для производства тонких изделий из магнитопла-стов.•.

4.1. Анализ известных в мире технологий, оснастки и оборуд-воания для формования порошковых изделий.

4.2. Разработка эффективной технологии прессования тонких изделий типа таблеток и втулок.

4.2.1. Совершенствование технологии прессования и разработка новой технологической оснастки.

4.2.2. Термообработка заготовок и проверка их качества.

4.3. Разработка новых конструкций пресс-форм для прессования.

4.4. Разработка эффективной технологии и оборудования для прокатки тонких изделий типа пластин.

4.4.1. Известные, опытная технология и оборудование для прокатки порошковых заготовок типа тонких пластин с органической связкой.

4.4.2. Новые технология и оборудование для прокатки листовых заготовок типа тонких пластин из магнитопластов с полимерной связкой.

4.5. Внедрение результатов работы.

4.5.1. Разработка временной технологической инструкции изготовления изделий из магнитопластов.

4.5.2. Разработка новой конструкции двигателя с магнитами из смеси сплава Nd-Fe-B со смолой.

4.5.3. Разработка технологии получения изделий из магнитопластов типа сегментов для двигателя постоянного тока.

4.6. Выводы по главе.

Магнитотвердые материалы, как источники постоянного магнитного поля, в настоящее время находят самое широкое применение во многих отраслях техники, прежде всего, в гистерезисных двигателях, устройствах магнитной записи и приборах магнитоэлектроники.

Магнитотвердые материалы, из которых получают различные по форме и энергетическому уровню постоянные магниты, нашли широкое применение еще в начале XX века. Использование их в изделиях позволяет снизить расход электроэнергии, уменьшить размеры самих изделий, повысить их надежность, эффективность работы и расширить области применения.

Традиционные технологии получения постоянных магнитов включают использование способов литья мартенситных и дисперси-онно-твердеющих сталей, способов пластической деформации сплавов типа кунифе (Cu-Ni-Fe), кунико (Cu-Ni-Co), викаллой (Fe-Co-V) и других. В начале 50-х годов XX века была разработана технология получения бариевых (BaFei2019), а позднее и стронциевых (SrFe120i9) ферритов.

В 60-е годы были исследованы, а затем и разработаны новые порошковые технологии получения высокоэнергетических постоянных магнитов из сплавов кобальта с редкоземельными металлами (Sm, Рг).

В настоящее время за рубежом такие магниты выпускаются многими фирмами. Основную долю занимают спеченные редкоземельные магниты на основе самария-кобальта (Sm-Co). Их максимальное энергетическое произведение (ВН)тах изменяется от 120 до 240 кДж/м3. Лидером в области разработок и промышленного освоения постоянных магнитов с РЗМ является Япония.

В промышленности Японии, США и стран Европы освоены технологии изготовления порошковых спеченных магнитов составов SmCo5 и Sm2Co17 •

В 80-е годы в Японии разработаны высокоэнергетические магнитотвердые материалы на основе неодима-железа-бора (Nd-Fe-B), состава Nd2Fe14B.

Главное их преимущество — применение менее дефицитных и более дешевых, чем самарий и кобальт .неодима, железа и бора.

Одной из новых разработок конца 80-х годов является технология производства композиционных магнитопластов на основе ферритов и РЗМ. Магнитные свойства этих магнитов ниже, чем у спеченных магнитов, но они имеют по сравнению со спеченными более высокую механическую прочность и эластичны, что позволяет применять их в автоматизированных сборочных производствах магнитоэлектроники и другой техники.

Магнитопласты изготовляют на основе сравнительно дешевых и технологичных связующих, как правило, термопластичных смол или полимеров, которые в нагретом состоянии обладают высокой пластичностью, а в охлажденном — достаточной прочностью и эластичностью. Это полиэтилен, полипропилен, полистирол и разнообразные полимерные композиции на их основе [1].

Связующие другой группы — термореактивные полимеры (фе-ноло-формальдегидные, эпоксидные и т.п.) — отличаются тем, что при повышенной температуре в них идут химические реакции, приводящие к необратимому отверждению композиции [1].

Достоинством термопластов является легкость переработки, в том числе вторичной, возможность подготовки композиционного маг-нитотвердого материала в виде полуфабриката перед формованием. В то же время термореактивные связки обеспечивают большую термопрочность изделий из композиционных магнитотвердых материалов [1]

Технология производства магнитопластов отличается меньшей энерго- и трудоемкостью изготовления, поскольку отсутствует операция спекания.

Такие магниты производятся в Японии, США, Германии и некоторых других развитых странах.

В России до настоящего времени отсутствует выпуск таких магнитов в промышленных масштабах, хотя разработаны опытные технологии и имеется производство на уровне опытно-промышленных образцов и партий изделий.

Однако, стремление российской промышленности зарекомендовать себя производителем магнитов на мировом рынке электронной, электротехнической и другой продукции обуславливают необходимость проведения теоретических и экспериментальных научных исследований и технологических разработок в области производства магнитопластов.

Для осуществления поставленной задачи на кафедре "Машины и технология обработки материалов давлением» Южно-Уральского государственного университета выполнены комплексные теоретические, экспериментальные и технологические исследования, разработана технология производства изделий из композиций магнитного порошка Nd-Fe-B и полимерных связующих и созданы конструкции устройств для получения изделий плоской, фасонной и кольцевой формы. Спроектирован, изготовлен и испытан в промышленных условиях электродвигатель с магнитами из Nd-Fe-B.

4.6. Выводы по главе

1. Выполнен анализ известных в мире технологий, оснастки и оборудования для получения изделий из магнитопластов и магнито-эластов на основе Nd-Fe-B. Рассмотрены особенности процессов прессования изделий из магнитопластов в закрытых пресс-формах, прокатки изделий из магнитопластов и магнитоэластов в валках станов с клетями типа дуо, выдавливания и инжекционного формования. Приведены схемы установок и показаны типовые изделия.

2. Приведены результаты разработки новой эффективной технологии прессования тонких изделий, типа таблеток и втулок, включающие: ! рассмотрение причин, по которым с применением известной технологической оснастки невозможно получать тонкие изделия; изложение нового способа прессования изделий типа тонких таблеток и втулок на прессовой оснастке, пуансоны которой содержат подложки из фторопластовой бронзы с коэффициентом трения менее 0,1, матрица втулку также с низким коэффициентом трения; описание конструкции пресс-формы и типов получаемых на ней изделий с приложением результатов выполненных исследований по зависимости плотности прессовок от удельного давления прессования и зависимости магнитных параметров от усилий, скорости и выдержки при прессовании; перечень всех технологических операций, начиная с операции получения исходного порошка сплава Nd-Fe-B и заканчивая контролем геометрических размеров и качества готовых изделий.

3. Описана технологическая операция полимеризации заготовок после прессования, представлены результаты исследований по зависимости магнитных параметров от времени выдержки при повышенной температуре, даны основные параметры рекомендуемого к применению стандартного термического оборудования и перечислены основные операции контроля качества изделий.

4. Представлены результаты разработки новых конструкций пресс-форм, для получения изделий типа тонких втулок, выполненных на основе изобретений, даны конструктивные особенности этих пресс-форм и описана их работа; а также результаты разработки нового способа и устройства для получения прокаткой тонких пластин прямоугольной и квадратной формы, разработанных на основе изобретений, описаны особенности нового способа прокатки-калибровки и устройства для его осуществления и результаты его практического применения.

5. Даны материалы по внедрению результатов выполненной работы в промышленное производство: в виде временной технологической инструкции на технологию изготовления изделий из магнитопластов на основе Nd-Fe-B; в виде новой конструкции двигателя с магнитами из смеси порошков сплава Nd-Fe-B и феноло-формальдегидной смолы; в виде новой технологии изготовления изделий типа сегментов для конструкции разработанного двигателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе изучения информационных материалов ведущих в области производства постоянных магнитов фирм Японии, США, Европы и России установлены производители магнитных материалов, в первую очередь с редкоземельными металлами (Sm-Co и Nd-Fe-B), и изделий, в том числе из магнитопластов. Выявлен сортамент и установлены способы производства изделий из магнитопластов. Определены недостатки известных способов производства изделий из магнитопластов.

2. Экспериментальными исследованиями процессов прессования заготовок изделий из магнитопластов типа таблеток и втулок определены параметры их формования, технологические и физические свойства получаемых магнитов. Установлены также основные операции подготовки исходных материалов и порошковых смесей Nd-Fe-B со смолой. Исследован процесс прокатки из пластичных смесей заготовок изделий типа пластин. Установлено влияние содержания связок на магнитные свойства образцов изделий из магнитопластов.

3. В результате исследования процесса формования порошковых изделий в закрытых пресс-формах определены зависимости магнитных свойств образцов изделий от их плотности и плотности от содержания связки в смесях и удельного давления прессования. Установлены рациональный фракционный состав порошков Nd-Fe-B, качество и свойства изделий, получаемых формованием из разных фракций.

4. Разработаны устройства для исследования условий формования прессовок и параметров трения на операциях прессования и выталкивания заготовок. Выполнены исследования по определению коэффициента трения на операциях прессования и вталкивания при разных условиях получения прессовок. Выбраны из большого разнообразия типов оборудования, известных в порошковой металлургии и технологии, промышленное оборудование для выполнения операций измельчения, сепарации порошков Nd-Fe-B и смешивания их со связкой

5. Разработаны математические модели процессов прессования заготовок изделий типа втулок и прокатки заготовок типа пластин прямоугольного и квадратного сечений.

Для разработки модели процесса прессования использован метод решения основных уравнений теории пластичности для квазисплошной, сжимаемой, упруго-пластичной, упрочняющейся среды. В качестве реологических приняты уравнения Прандтля-Рейса, используемые для упруго-пластических сред. В результате реализации модели определены характер изменения плотности по высоте и сечению втулок и параметры прессования, спрогнозированы физические и магнитные свойства изделий из магнитопластов в зависимости от содержания связки в смесях и плотности прессовок.

Для разработки модели процесса плоской прокатки применены энергетические уравнения, которые решаются методом последовательных приближений. В результате реализации модели установлен характер изменения плотности по длине очага деформации.

Определены кинематические и энергосиловые параметры процесса прокатки заготовок типа пластин из пластифицированных смесей.

6. Разработаны высокоэффективная технология, оснастка и оборудование на основе изобретений для производства тонких изделий типа таблеток, втулок, круговых колец и пластин из магнитопластов на основе сплава Nd-Fe-B, выпускаемых в России.

7. Результаты, полученные на основе экспериментальных, теоретических и технологических исследований и патентов диссертанта внедрены в промышленное производство. Для АМЗ и КЗТТК разработана технологическая инструкция, для ГП "Электромашина" разработана новая конструкция двигателя с магнитами в виде сегментов, полученных из магнитопластов, и технология формования изделий из смесей порошка Nd-Fe-B с феноло-формальдегидной смолой.

1. Алексеев А.В., Корнеев А.Е. Эластичные магнитные материалы. — М.: Химия, 1976. —200 с.

2. Постоянные магниты. Справочник. Под ред. Ю.М. Пятина. — М.: Энергия, 1971. — 376 с.

3. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. — М.: Высшая школа, 1991. — 384 с.

4. Самодурова М.Н. История возникновения и производства постоянных магнитов // Машины и технология обработки давлением порошковых материалов: Сб. науч. трудов.— Челябинск: ЧГТУ, 1997. — С. 138—142.

5. Стопченко А.Ю., Куликов В.В., Литошенко В.И. Перспективы развития порошковой металлургии в ПО «Магнит». Сб. « Исследования в области горячего прессования в порошковой металлургии». — Новочеркасск, 1988, — С. 53—55.

6. Пасечник О.Ю.Цыганкова Г.В. Рынок постоянных магнитов на основе РЗМ/ Цветные металлы, 1992, №1. — С. 42—43.

7. UK eyes permanent magnet developments in Japan. Metal Powder Rept., 1986. V.41. №9. — P. 695—697.

8. Metal Powder Report, 1989. V.44. №1. — P. 6.

9. Самодурова М.Н. Производство постоянных магнитов в Европе// Машины и технология обработки давлением порошковых материалов: Сб. науч. трудов.— Челябинск: ЧГТУ, 1997. — С. 147—156.

10. Проспект фирмы MAGNETFABRIK SCHRAMBERG. Germany.

11. Проспект фирмы VACUUMSHMELZE GMBH. Germany

12. Проспект фирмы TRIDELTA AG. Germany.

13. Гунькин В.Е., Самодурова М.Н., Маркин В.В. Изготовление прессованных изделий из быстрозакаленных магнитных материалов. В тр. н-т конференции "Разработка и освоение аморфных и микрокристаллических материалов". — Киев, 1992. — С. 115—120.

14. Проспект фирмы RESEARCH CHEMICAL. France.

15. Проспект фирмы PECHINEY. France.

16. Проспект фирмы PHILIPS COMPONENTS. Netherlands.

17. Проспект института Central Iron and Steel Research Institute. Products brief introduction. Beijing. China.

18. Проспект фирмы KRUPP WIDIA PERMANENT MAGNET MATERIALS and COMPONENTS. Germany.

19. KOERDYM P. Plastic-bonded Nd-Fe-B magnets Publication № W2.20.56. OEO 293.

20. Ormerod J. Powder metallurgy of rare earth permanent magnets/ Int. J. Powder Met., 1989. V.25. №3. — P. 42—53.

21. Свойства быстрозатвердевших порошков Nd-Fe-B и их использование в автомобилестроении/ Groat J. John, Sese Ken H.// Ind. Rare Metals, 1989. №97 — C. 39—41.

22. Обзор. Постоянные магниты в автомобилестроении/ Автомобильная промышленность США. № 6, 1987. — С. 31—32.

23. Рекламный листок. Business Unit of DELCO REMY.

24. Metal Powder Report, 1989. V. 45. № 4. — P. 229.

25. Nikkey New Materials, 1986, № 9. — P. 695—697.

26. Вудрафф Д. Новый "Мерседес" быстрый, бесшумный и роскошный / Бизнес уик. 1992. №9, —С. 62.

27. Permanent magnets in theory and practic. — Pentch Prese. — London, 1987. — 200 p.

28. Ind. Rare Metals, 1989. № 97. — P. 54—56.

29. Проспект фирмы HITACHI METALS, LTD. Japan.

30. Проспект фирмы FOSTER ELECTRIC CO., LTD. Japan.

31. К вопросу об изотропно формуемых магнитах Nd-Fe-В/ Furnaco Steel, 1988. V.59. № 2. — P. 125—135.

32. Кенно Т., Харамори С. Двигатели постоянного тока с магнитами.

33. М.: Энергоиздат, 1989. — 184 с.33. .Проспект фирмы SUMITOMO SPECIAL METALS CO. (SSMC). NEOMAX-RARE EARTH MAGNETS. Japan.

34. Заявка 6415301 Японии. Магнитопласты из порошка сплава РЗМ-железо для постоянного магнита, обладающего высокими коррозионно-стойкими свойствами / Фукуда Ясутаки. — Опубликовано 19.01.89.

35. Бальшин М.Ю. Порошковая металлургия. — М.: Машгиз, 1948. — 263 с.

36. Смит Я., Вейн X. Ферриты. —М.: Изд-во иностр. лит., 1962.504 с.

37. Спеченные материалы для электротехники и электроники: Справочник/ Под ред. Г.Г. Гнесина. — М.: Металлургия, 1981. — 344 с.

38. Проспект предприятия KUSA PRECISE INDUSTRIAL STONES FACTORY. RUSSIA.

39. ТУ 14-123-97-92. Заготовка быстрозакаленная из магнитного сплава марки НМ20Р. Аша: — АМЗ, 1992. — 11 с.

40. ТУ 14-1-4926-90. Заготовка быстрозакаленная из магнитотвердо-го сплава марки МКЕ-1. М.: ЦННИЧермет, 1990. — 10 с.

41. Самодурова М.Н. Экспериментальное исследование процесса измельчения быстрозакаленного магнитотвердого сплава Nd-Fe-B // Машины и технология обработки: Сб. науч. трудов.— Челябинск: ЧГТУ, 1989. — С. 173—176.

42. Проспект. Ашинский металлургический завод. Аша. Россия.13 2

43. Кипарисов С.С., Падалко О.В. Оборудование предприятий порошковой металлургии. — М.: Металлургия, 1988. — 448 с.

44. Проспект фирмы TAMAGAWA. Japan.

45. Проспект фирмы DORST. Mechanical Automatic Presses. Germany.

46. Проспект фирмы KOMAGE. Automatic Presses. Germany.

47. Елкин В.И., Змеева О.М. Автомат для прессования магнитов из оксидных порошков // Кузнечно-штамповочное оборудование, 1986, № 1. — С. 9—11.

48. Промышленные постоянные магниты с редкоземельными металлами / Н.К. Фролова, Л.А. Долманов, Ю.Я. Райков и др. // Цветные металлы, 1991, №11.— С.48—49.

49. Koon N.C., Das B.N. // J. of Appl. Physics, 1984. V.55. № 6. — P. 2063—2066.

50. Groat J.J., Herbst J.E., Lee R.W. // Appl. Physics Letters. 1984. V. 44. — P. 148—149.

51. Дерягин А.В., Тарасов E.H., Андреев А.В. // Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1984. Т. 39. №11.-С. 516—519.

52. Проспект научно-производственной корпорации "МКМ". — Екатеринбург.

53. Проспект фирмы Оптимаг.— Челябинск-65.

54. Metall, 1988. V.42. № 2. — Р. 1168.

55. Australian Mining Journal, 1988. V. 81. № 4. — P. 34.

56. Mining Magasine, 1989. V. 1601 №5.— P. 111.

57. Ложечников Е.Б. Прокатка в порошковой металлургии. — М.: Металлургия, 1987. — 184 с.

58. А.с. 436249 СССР. Устройство для измерения контактных сил трения при прокатке / В.Н. Выдрин, Л.А. Барков, В.В. Пастухов // Б.И., 1974. — № 26.

59. А.с. 655929 СССР. Устройство для определения силы трения при деформации сыпучих материалов / В.Л. Колмогоров, Ю.Н. Логинов // Б.И., 1979. — № 13.

60. А.с. 849053 СССР. Матрица устройств для исследования трения сыпучих материалов/ Ю.Н. Логинов, С.И. Паршаков, А.Г. Залозин-ский и др. // Б.И., 1981. № 27.

61. Федорченко И.М., Пугина Л.И. Композиционные спеченные антифрикционные материалы. — Киев: Наук, думка, 1980. -404 с.

62. Способ получения магнитопласта: Заявка Японии N2 2292802. опубл. 4.12.90.

63. Способ получения магнитов Nd-Fe-B со связкой из полимерной смолы: Заявка Японии № 2110904, опубл. 11.05.93.

64. Metali Powder Report, 1987. V. 42. № 5. — P. 387.

65. Рабинович Ю.М., Сергеев В.В., Потапова Л.В. Эксплуатационные характеристики постоянных магнитов из сплава типа РЗМ -Fe-B // Электротехника, 1989. № 11. — С. 21—25.

66. Порошковая металлургия и напыленные покрытия / В.Н. Анци-фиров, Г.В. Бобров, Л.К. Дружинин и др. — М.: Металлургия, 1987.792 с.

67. Постоянные магниты: Сводный каталог СК-70. — М.: Институт промышленного развития (ИНФОРМЭЛЕКТРО), 1998. — 88 с.

68. Степанский Л.Г. Расчеты процессов обработки металлов давлением. — М.: Машиностроение, 1979. — 215 с.

69. Лаптев A.M. Деформирование пористого металла в закрытой матрице // Изв. вузов. Машиностроение, 1979. № 7. — С. 89—94.

70. Степаненко А.В., Исаевич Л.А. Непрерывное формование металлических- порошков и гранул. — Минск: Наука и техника, 1980.256 с.

71. Феноменологические теории прессования порошков / Штерн М.Б., Сердюк Г.Г., Максименко Л.А. и др. — Киев: Наук, думка, 1982.140 с.

72. Друянов Б.А. Прикладная теория пластичности пористых тел. — М.: Машиностроение, 1989. — 168с.

73. Баглюк Г.А., Родомысельский И.Д., Юрчук В.Л. Анализ напряженно-деформированного состояния уплотняемого осесимметрич-ного пористого тела с использованием вариационных методов / Порошковая металлургия, № 10, 1986. — С. 26—30.

74. Григорьев А.К., Рудской А.И. Энергетические методы решения технологических задач пластичности пористых материалов / Порошковая металлургия, № 5, 1988. — С. 6—10.

75. Логинов Ю.Н. Формоизменение пористого цилиндра при осадке. Обработки металлов давлением: Сб. науч. трудов. — Свердловск, 1986. — С. 23—28.

76. Prandtl L. Proc. Intern. Cong. Applied Mechanics. — Delft. 1924.1. P. 137—145.

77. Reuss A.J. Angew. Math. Mechanik, № 10, 1930. — P. 266.

78. Уислкинс M. Численные методы в гидродинамике. — М.: Мир, 1967. — С. 212—263.

79. Аксенов Г.И. Прокатка металлических порошков в ленту: Тр. ВНИИТОМ. М.: Металлургиздат, 1954. —150 с.

80. Николаев А.Н. Стальная лента, полученная методом прокатки порошка: Сб. тр. ГИИ, т. XIV, вып. 2: Изд. ГПИ, Горький, 1958.1. С. 58—65.

81. Виноградов Г.А., Семенов Ю.Н. Прокатка металлических порошков. — М. : Металлургия, 1960. — 87 с.

82. Виноградов Г.А., Каташинский В.П. / Порошковая металлургия, 1963, № 3. — С. 30—35.

83. Производство абразивных отрезных кругов на вулканитовой связке / Л.А. Барков, В.А. Павлов, Б.А. Чаплыгин и др — Челябинск: Изд. ЧГТУ, 1997. — 145 с.

84. Каменщиков Ю.И., Барков Л.Д., Каменщиков А.Ю. О кинематических моделях, учитывающих неравномерность деформации при прокатке / Изв. АН РФ. Металлы.'— М.: АН РАН, 1991. — С. 76—79.

85. Каменщиков Ю.И., Барков Л.А., Каменщиков А.Ю Пластическое течение порошковых спеченных заготовок при прокатке / Изв. АН РФ. Металлы. — М.: АН РАН, 1994. — С. 57—62.

86. Каменщиков Ю.И., Барков Л.А. Метод расчета деформаций и усилий при обработке давлением пористых материалов / Тр 1-ой Межд. конф. по механике. — Прага, 1987. — С. 252—257.

87. Барков Л.А. Каменщиков Ю.И., Кузнецов Г.А. Деформируемость пористых материалов при прокатке / Тр. 3-ей Межд. конф. по компьютерной пластичности. — Барселона (Испания), 1992. — С. 1207—1210.

88. Бахвалов Н.С. Численные методы. — М.: Наука, 1973. — 632 с.

89. Барков Л.А., Каменщиков Ю.И. Применение метода последовательных приближений для исследования процесса прокатки / Известия АН СССР. Металлы. — М.: АН СССР, 1979. — С. 84—88.

90. Отчет по НИР. Заключительный этап. Математическое и физическое моделирование процессов формования магнитопластов на основе Nd-Fe-B. № государственной регистрации -1940004474. Инвентарный номер 029. 5000823. — Челябинск: Изд. ЧГТУ, 1994.125 с.

91. KOEROX P and KOERDYM P plasticbonded permanents magnets / J. Pfeiffer, R. Ebeling, W. Ervens // Technische Mitteilungen Krupp, 1991. № 1. — C. 22.

92. Маркин В.В., Ошуев М.К., Самодурова М.Н. Применение магни-топроводов в сварочном блоке // Труды научно-технической конференции "Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применение". — Ростов Великий, 1991. — С. 16—21.

93. Тонкостенные цилиндрические магнитопласты на основе РЗМ-Fe-B и их получение: Заявка Японии № 3661060, опубл. 20.03.91.

94. Способ получения магнитопласта: Заявка Японии № 2292802, опубл. 4.12.90.

95. Способ получения магнитов Nd-Fe-B со связкой из полимерной смолы: Заявка Японии № 2110904, опубл. 3.04.90.

96. А.С. 1146132 СССР. Пресс-форма для прессования супертонких изделий из порошка / И.Я. Аронин, М.А. Калия // Б.и. 1985.— N911.

97. Аронин И.Я., Калия М.А. Новая пресс-форма для прессования тонких пластин из твердых сплавов // Порошковая металлургия, 1986. № 10.— С. 97—98.

98. Производство вулканитовых абразивных кругов / Б.А. Чаплыгин,

99. B.А. Павлов, В.Н. Дятлов и др. — Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1998. — 332 с.

100. Францевич И.Н. Порошковая металлургия. — М.: Знание, 1958.70 с. ;

101. Родомысельский И.Д., Печентковский Е.Л., Сердюк Г.Г. Пресс-формы для порошковой металлургии. — Киев: Техшка, 1970.172 с.

102. Проспект фирмы DORST. DORST-Pressing Technique. Germany.

103. Metalor 2000 Moulding tomorrows technology today. Рекламная информация фирмы POVDER INTECTION MOULDING IND. M12RA. ISRAEL.

104. Пасечник О.Ю., Цыганкова Г.В. Производство и применение постоянных магнитов на основе Nd-Fe-В/ Цветные металлы, 1990. —1. C. 89—92.

105. Оборудование для обработки давлением порошков и порошковых заготовок / Л.А. Барков, В.И Трусковский, и др. — Челябинск-Металл, 1992. — 296 с.

106. Пресс-автоматы для обработки порошковых материалов / В.И. Трусковский, Л.А. Барков, В.К. Плотников. — Челябинск: Металл, 1994. 304 с.

107. Пат. РФ № 2074553 Пресс-форма для прессования тонких пластин из порошкового материала/ В.И. Трусковский, Л.А. Барков, М.Н. Самодурова и др. // Б.И., 1997.— № 6.

108. Барков Л.А., Трусковский В.И., Самодурова М.Н. Новые конструкции пресс-форм для прессования тонких изделий из порошков /

109. Машины и технология обработки материалов давлением: Сб. науч. трудов. — Челябинск: Изд. ЧГТУ, 1998.— С. 149—155.

110. Пат. РФ № 2100185. Пресс-форма для прессования тонких изделий из порошкового материала / В.И. Трусковский, Л.А. Барков, М.Н. Самодурова и др.//Б.И., 1997.— №36

111. Пат. РФ № 2104145. Способ и устройство для производства абразивного инструмента на вулканитовой связке / Б.А. Чаплыгин, Л.А. Барков, М.Н. Самодурова и др. // Бюл. 4, 1998.

112. Шереметьевский Н.Н., Стома С.А., Сергеев В.В. Высокоэнергетические постоянные магниты в электротехнике // Электротехника, 1989. № 11—С. 2—10.

113. Мехед Г.Н., Миляев И.М. Анализ коньюктуры и потребления магнитов на основе Nd-Fe-B в мире и СССР. — М.: СП Спортинформа-тика. 1991. — 21 с.

114. Barkov L.A., Truskovskii V.I., Samodurova M.N. Investigating Magnetic Materials Basing Rapidly Solidified Powder. — Int. Conf. "Powder Metallurgy in Aerospace". USA, 1995.