Технология упрочнения режущего инструмента импульсным магнитным полем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физико-технический институт НАН Беларуси

ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИМПУЛЬСНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Алифанов А.В., Бурносов Н.В., Чудакова И.Л.

Annotation

The woodworking end tool concerns one of kinds of the tool most widely applied in production. Specificity of work: high speeds of rotation, axial loadings, the big twisting moments lead to its low firmness at the expense of breakages. Widely applied methods of hardening of the tool at the expense of coating of the appropriate coatings raise its wear resistance, but do not influence volume durability. Now at manufacturing of woodworking end tool even more often apply hard or diamond cutting elements, especially to processing of wood particle boards or an acetylated wood. Nevertheless, the trailer tool made of tool steels, is widely enough applied in production an questions of increasing of its wear resistance and volume durability are rather actual. The paper unravels the essence of the mechanism of hardening action of electromagnetic field on items and describes magnetic - pulse equipment and process of hardening of wood-cutting end tool (mill).

Основная часть

Проблема повышения стойкости и долговечности металлообрабатывающего и деревообрабатывающего инструментов особенно остро встала в последние годы в связи с резким их удорожанием. В настоящее время до 20 % себестоимости продукции машиностроительных и деревообрабатывающих предприятий приходится на изготовление режущего инструмента, на повторные заточки, на затраты энергии.

Применяемые в настоящее время различные способы и средства повышения ресурса инструментов (специальная термообработка, напыление, искровое легирование, лазерная обработка и т.д.) являются весьма дорогостоящими и не позволяют существенно в 1,5 - 2,5 раза поднять их эксплуатационные показатели в условиях производства. Из многих технологий, которыми располагают в настоящее время, особый интерес представляют физические методы упрочнения, в частности, методы магнитно-импульсной обработки (МИО) вызывающие необратимые структурные изменения в обрабатываемом материале.[1]

Работы, посвященные повышению прочности и износостойкости режущего инструмента с использованием импульсного магнитного поля, проводятся в России. Однако эти работы отличаются механизмом упрочнения инструмента. В Барнауле в исследовательском институте изучают повышение стойкости режущего инструмента путем применения магнитно-импульсной обработки с предварительным индукционным нагревом. Ими проводятся эксперименты по определению влияния температуры предварительного нагрева на микротвердость инструментальных сталей. Этот метод отличается трудоемкостью и повышенным расходом электроэнергии. Методика упрочнения режущего инструмента, применяемая в Уральском Научном центре, имеет следующий вид: инструмент перед обработкой помещают в полость соленоида со стороны, например, с северной полярностью таким образом, чтобы центр тяжести детали был удален от положения равновесия. При включении установки деталь силой F втягивается магнитным полем в полость соленоида с некоторым ускорением и совершает внутри полости колебательные движения. Таким образом, деталь многократно пересекает магнитный поток. Используя данную методику, ученые изучают влияние магнитного поля на кривые фазовых переходов при охлаждении, изменение физико-химических и технологических характеристик. Однако этот метод отличается низкой производительностью и неравномерностью полученных свойств упрочняемых изделий, особенно удлиненной формы.

Учеными Физико-технического института Национальной академии наук Беларуси был разработан новый способ улучшения прочностных свойств стальных изделий, в том числе закаленных, путем воздействия сильным импульсным электромагнитным полем. Он осуществлялся следующим образом. В многовитковый индуктор магнито-импульсной установки помещали партию исследуемых образцов. Образцы имели сферическую форму и были изготовлены из стали ШХ15 диаметром 3/8''. Они были изолированы от витков индуктора диэлектриком. Затем производился разряд накопительных конденсаторов через витки индуктора. При этом напряженность поля задавалась не менее 10⁷ А/м, длительность импульсов - не более 0,001 с, а необходимое для упрочнения число импульсов выбирали из интервала от 1 до 5. Магнитное поле в индукторе наводило вихревые токи в образцах и вызывало силы отталкивания между индуктором и образцом. Данные силы сжимали шарик по всему объему. В результате этого в нем происходили фазовые и структурные изменения, структура становилась однородной, выравнивались напряжения, повышалась прочность исследуемого образца. Так как цикл обработки с выгрузкой образцов занимает не более одной секунды, то производительность процесса может быть очень высокой. На данный способ был получен патент № 20070467. режущий инструмент металлообрабатывающий магнитный

Актуальность исследований в этом направлении обусловлена сложностью и недостаточной изученностью механизмов и эффектов, сопровождающих процессы упрочнения поверхностных слоев изделий с заранее заданными свойствами в условиях высоких скоростей энергетического воздействия. Целью дальнейших проводимых экспериментов являлась проверка эффективности способа упрочнения импульсным магнитным полем стальных изделий цилиндрической формы и изучение его влияния на структуру и механические свойства образцов. За критерий оптимальности данного процесса была принята конечная поверхностная микротвердость сталей.

Обработка осуществлялась на установке МИУ СФТ 9.120.00.00.000, изготовленной в Физико-техническом институте. Так как магнитно-импульсное упрочнение деталей основано на взаимодействии импульсного магнитного поля с металлической заготовкой, то установка для магнитно-импульсной обработки металлов представляет собой генератор импульсного тока (ГИТ), состоящий из емкостного накопителя электрической энергии -- высоковольтной конденсаторной батареи, рабочего органа -- индуктора и коммутирующего устройства -- высоковольтного управляемого разрядника. С помощью разрядника производится разряд конденсаторной батареи на индуктор.

Ёмкостный накопитель заряжается до необходимой для данной технологической операции энергии с помощью зарядного устройства. Рабочие разряды накопителя производятся при помощи устройства поджига, включающего разрядник. Установка МИУ имеет ГИТ с максимально запасаемой энергией 6,8кДж.

Каждый узел станка выполняет определенные функции. Емкостной накопитель представляет собой высоковольтную конденсаторную батарею, состоящую из конденсаторов емкостью 300 микрофарад, соединенных определенным образом с помощью коаксиального кабеля. Для зарядки конденсаторной батареи используется специальное зарядное устройство, выполненное по схеме трансформаторного мостового емкостного преобразователя (МЕП), представляющего собой источник тока. Узел замыкателя служит для прекращения заряда в случае выхода из строя схемы управления зарядом и при отключении питания. Питание МЕП осуществляется от однофазного сетевого напряжения. Трансформатор служит для согласования нагрузки с мостовым емкостным преобразователем. По окончании зарядки конденсаторная батарея с помощью специального устройства-разрядника разряжается на индуктор.

Медленный разряд накопителя в случае необходимости производится на резисторы мощностью не менее 1200 Вт с помощью замыкателя. Контроль напряжения на накопителе осуществляется с помощью киловольтметра. Устройство поджига предназначено для управления высоковольтным разрядником и включает в себя трансформатор повышающий, выпрямитель умножитель напряжения, конденсаторы, резистивный делитель напряжения и схему поджига на разряднике Р-29. При поступлении сигнала на поджиг с блока управления включается блок поджига, конденсатор подключается к управляющим электродам игнитрона ИРТ-6 через разрядника Р-29 и происходит разряд рабочего конденсатора на индуктор.

Для управления процессом магнитно-импульсного упрочнения используется устройство управления. Оно предназначено для управления зарядом и разрядом накопителя и включает в себя схему управления на реле времени ВЛ-159М, а также исполнительные устройства на реле и магнитных пускателях. Устройство управления позволяет устанавливать режим обработки изделия, то есть задается определенная энергия импульса с помощью задания времени заряда при помощи программируемого реле времени ВЛ-159М, которое управляет режимом обработки изделия. Это дает возможность более точно подбирать режимы обработки изделий и использовать данную установку для научных исследований. На рисунке 1 изображена панель управления установки.

С использованием программируемого реле времени ВЛ-159М выбирается тип функциональной диаграммы и устанавливается необходимое время выдержки в соответствие с таблицей 1. Поджиг и разряд происходит автоматически по установленным режимам, в результате чего осуществляется обработка загруженной детали.

Таблица 1

Время - энергия

1- световой индикатор «СЕТЬ»; 2- световой индикатор «ЗАЗЕМЛЕНО»; 3- световой индикатор высокого напряжения «ВЫСОКОЕ»; 4- кнопка «РАБОТА»- задание рабочего режима; 5- кнопка «ПУСК» - включение заданного режима обработки; 6- кнопка «СТОП» - выключение рабочего режима; 7- автомат включения установки «ВКЛ.»; 8- управляющее реле времени ВЛ-159М «ВРЕМЯ ЗАРЯДА»; 9- киловольтметр «НАПРЯЖЕНИЕ».

Рисунок 1 Панель управления установки

В качестве объекта исследований использовались цилиндрические образцы диаметром 10 мм (так как цилиндрический индуктор изготовлен данного диаметра) из стали ШХ15 длиной 8 мм. Образцы были изготовлены из одного калиброванного прутка диаметра 12 мм.

Обработка образцов производилась в следующей последовательности: установка образцов в индуктор, выбор режимов обработки, воздействие на образцы импульсного магнитного поля, снятие обработанных образцов и последующая выдержка в течение 24 часов. Выдержка образцов после обработки необходима для завершения внутренних процессов, связанных с рассеянием электромагнитной энергии в материале.[3]

Для проведения эксперимента были выбраны следующие комбинации режимов обработки, представленные в таблице 1.

Таблица 2

Режимы обработки образцов

В ходе проведения эксперимента проводились измерения микротвердости по глубине обработки образцов, обработанных при различной величине мощности и количества импульсов для дальнейшего сопоставления величин измеренной микротвердости с режимами обработки. Измерения проводились на микрошлифах твердомером ПМТ-3 по общепринятой методике в соответствии с ГОСТ 9450-60.

На рисунке 2 в графическом виде представлено распределение микротвердости по глубине от поверхности образцов, обработанных при заданной мощности и количестве импульсов.

Рисунок 2 Распределение микротвердости по глубине от поверхности образцов

Среднее значение микротвердости образцов до обработки составляло 240 кг/мм². Анализ представленных зависимостей показывает, что микротвердость обработанных образцов увеличилась на 40-50 %. Глубина упрочненного слоя составляет 80-100 мкм.

На рисунке 3 представлена фотография шлифа образца 7 после магнитно-импульсной обработки. На ней четко видно увеличение отпечатка индентора при удалении от края образца, что свидетельствует о уменьшении микротвердости стали.

Рисунок 3 Фотография шлифа образца 7

Сущность новой технологии магнитно-импульсного упрочнения состоит в том, что при магнитно-импульсном воздействии вещество изменяет свои физические и механические свойсва. Взаимодействие импульсного магнитного поля с деталью из токопроводящего материала происходит тем интенсивнее, чем выше структурная и энергетическая неоднородность материала. Поэтому, чем выше концентрация поверхностных и внутренних напряжений в металлических деталях, тем больше вероятность локальной концентрации в них микровихрей внешнего поля, которые нагревают участки вокруг кристаллов напряженных блоков и неоднородностей структуры металла. Градиент теплового потока при МИО тем выше, чем менее однородна структура металла. После обработки микроструктура сплава улучшается, что ведет за собой и изменение физических и механических характеристик вещества. Сказанное подтверждается результатами проведенных испытаний.

Список литературы

1. Алифанов, А.В. Магнитно-импульсная упрочняющая обработка металлических изделий/ А.В. Алифанов//Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, инструмента и технологической оснастки: материалы Р Междунар. науч.-практ. конф., Санкт-Петербург, 10-13 апр. 2007. Ч. 2. С. 9-15.

2. Способ упрочнения металлических закаленных шариков: пат. №20070467 Респ. Беларусь/ А.В. Алифанов, А.А. Лях, В.Н. Алехнович, Е.С. Амельянчик, Ю.И. Кривонос, А.А. Лях; заявитель ФТИ НАНБ, заявка от 24.04.07г., зарегистр. 19.08.2008 г. на способ.

3. Малыгин, Б.В. Магнитное упрочнение инструментов и деталей машин/Б.В. Малыгин. М.: Машиностроение, 1998. 130 с.

4. Импульсные методы обработки материалов/ АН БССР, Физ.-техн. ин-т. Мн.: Наука и техника, 1977. 216 с.

5. Граник, Г.И. Влияние магнитного поля на превращения в некоторых сталях/Г.И. Граник/ Моск. ин-т стали и сплавов. М., 1964. 16 с.

6. Белый, В.И. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов/ В.И. Белый, С.М. Фертик, Л.Т. Хименко. Киев: Вища школа, 1977. 168 с..

Размещено на Allbest.ru