Магнитно-импульсная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента

Повышение износостойкости металлорежущего инструмента является крайне важным вопросом в современном машиностроении. Основными направлениями повышения износостойкости инструмента являются применение новых материалов и физические методы, изменяющие физико-механические свойства уже используемых материалов инструмента. Одним из таких методов поверхностного упрочнения металлорежущего инструмента является магнитно-импульсная обработка (МИО). Она основана на применении магнитного импульсного поля на поверхность металлорежущего инструмента, что способствует улучшению её механических и физических свойств. Помимо повышения твердости поверхности и износостойкости металлорежущего инструмента магнитно-импульсная обработка приводит к уменьшению остаточных и усталостных напряжений. Внедрение МИО позволяет повысить износостойкость металлорежущего инструмента, оснащенного пластинами из металлокерамических твердых сплавов типа вольфрамовых (ВК), титановольфрамовых (ТК) и титанотанталовольфрамовых (ТТК).

Сущность МИО заключается в том, что металлорежущий инструмент перед обработкой помещают в полость магнита, соединенного с возбудителем импульсов. При магнитном воздействии металл изменяет свои физические и механические свойства. Улучшение свойств у металлорежущего инструмента прошедшего МИО, достигается за счет направленной ориентации свободных электронов вещества внешним полем, вследствие чего увеличивается тепло- и электропроводимость материала.

Основными преимуществами МИО являются:

-          упрочнение металлорежущего инструмента любой конструкции;

-          простота технологической оснастки и отсутствие расходных материалов;

-          экологичность;

-          низкая себестоимость.

Широкому практическому применению технологии МИО в промышленности препятствуют следующие факторы:

-          низкая эффективность обработки;

-          длительность обработки (от 2 до 10 импульсов с выдержкой до 20 мин);

-          применение дополнительных сред.

В современных условиях, с учетом вышеперечисленных негативных факторов, были выбраны и улучшены основные показатели технологии МИО:

-          применение локальных параметров магнитного поля;

-          комбинация импульсного магнитного поля и предварительного индукционного нагрева обрабатываемой заготовки способствующие увеличению эффективности обработки.

В процессе проведения экспериментальных исследований комбинированной МИО различных металлорежущих инструментов из быстрорежущих сталей подтверждено увеличение износостойкости обработанных инструментов — 158 % для сверл, 202 % для резцов и 161 % для метчиков, относительно стойкости необработанных инструментов.

Критерием оценки степени выхода из строя инструмента при этом являлся предельный износ по задней поверхности для сверл и резцов. Каждый материал, используемый для изготовления металлорежущего инструмента, имеет определенную величину напряженности магнитно-импульсного поля, и как следствие величину магнитной энергии, которая поглощается материалом в процессе обработки и улучшает его механические и технологические свойства.

Между повышением износостойкости металлорежущего инструмента и магнитной проницаемостью существует прямая зависимость. Магнитно-импульсное поле, взаимодействуя с материалом металлорежущего инструмента, изменяет его тепловые и электромагнитные свойства, улучшает структуру и эксплуатационные характеристики, что положено в основу технологии магнитного упрочнения.

Для реализации процесса МИО используется устройство управления. Оно предназначено для управления зарядом и разрядом накопителя и включает в себя схему на реле времени, а также исполнительные устройства на реле и магнитных пускателях. Устройство управления позволяет устанавливать режимы обработки изделия, то есть задавать определенные параметры магнитной энергии и длительность её воздействия. Это позволяет подбирать режимы обработки металлорежущего инструмента и использовать данное устройство для научных исследований.

Эффект упрочнения металлорежущего инструмента при применении МИО определяется следующими параметрами воздействующего магнитно-импульсного поля:

-          напряженностью магнитного поля;

-          продолжительностью и амплитудой импульсов;

-          количеством импульсов.

Под действием магнитного поля в металле происходит образование новой структуры, характеристики которой зависят от величины напряженности магнитного поля. Структура упрочненного слоя отличается высокой дисперсностью и улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Исследования с образцами металлорежущего инструмента из быстрорежущих сталей и других марок показали, что для улучшения их механических и технологических характеристик достаточно создать импульсное магнитное поле напряженностью не выше 2000 кА/м. Для завершения внутренних процессов, связанных с рассеянием электромагнитной энергии, в материале металлорежущего инструмента необходимо время 5–24 ч., при этом продолжительность одного цикла магнитной обработки не превышает 1–5 с [1].

Импульсное намагничивание поверхности металлорежущего инструмента обеспечивает, при выполнении операций сверления, точения и фрезерования конструкционных сталей:

-          уменьшение коэффициента трения инструмента в 1,5–2 раза;

-          повышение микротвердости инструмента и снижение поверхностного натяжения смазочного материала;

-          повышение теплопроводности материала;

-          увеличение скорости отвода тепловых потоков при жидкостном охлаждении;

-          увеличение адгезии смазочного материала на металлической поверхности и ускоряет отвод теплоты из узлов трения [2].

Метод МИО поверхностного упрочнения металлорежущего инструмента классифицируются следующим образом:

-          обработка одним импульсом постоянного магнитного поля напряженностью 100 - 1000 кА /м при различной длительности воздействия от 10 до 300 с;

-          обработка магнитно-импульсным полем напряженностью 50-2000 кА/м при длительности импульса от 0,1 до10 с и различным количеством импульсов.

Металлорежущий инструмент обрабатывается как постоянным магнитным полем, так и магнитно-импульсным полем напряженностью от 100 до 2000 кА/м, при длительности импульса от 0,1 до 1,5 с. Время и величина напряженности магнитного поля зависит от материала металлорежущего инструмента и его размеров. При этом стойкость инструмента, обработанного в магнитном поле, повышается в 2 - 4 раза.

МИО осуществляется в цилиндрическом индукторе в магнитно-импульсной установке (МИУ). К характеристикам магнитного цилиндрического индуктора относятся:

-          длительность магнитного импульса;

-          максимальная энергия импульса;

-          амплитуда тока.

К основным элементам МИУ относятся:

-          силовая часть установки. Она выполняет функцию формирования магнитного импульса;

-          задний блок управления. Он выполняет функцию преобразования переменного напряжения в постоянное. Напряжение на блок управления подается через силовой автомат, рассчитанный на силу тока 160 А.;

-          передний блок управления. Он согласовывает сигнал заднего и дверного блока управления;

-          датчик фазы. Он предназначен для отображения нагрузки на трёх фазах за счет световых диодов. Блок позволяет определить причину неисправности определенного блока;

-          драйвер зажигания. Объединяет работу заднего и переднего блок для управления тиристорами. В него входит блок ВЧ-защиты.

Соленоид МИУ имеет значительную индуктивность, и ток в нем не может меняться мгновенно. После включения ток в соленоиде нарастает и после открывающего сигнала его ток замыкается через дополнительный диод и начинает убывать.. Если питающая сеть маломощная, то время нарастания тока соленоида может отличаться от времени спада [3].

 МИО может применяться как с использованием воздушного пространства внутри соленоида, так и с применением ферромагнетика.

Основные технические характеристики МИУ:

-          габаритные размеры индукторной катушки магнита;

-          общая масса установки в сборе — не больше 21 кг;

-          производительность установки при режимах обработки 5–6 инструментов в час;

-          напряженность магнитного поля на оси соленоида — не меньше 1000 кА;

-          диаметр рабочего канала соленоида не меньше 30 мм;

-          источник питания — трехфазная сеть напряжением 380 В;

-          потребляемая мощность не более 0,05 кВт;

-          средняя потребляемая мощность в режиме обработки — не более 1,0 кВт;

-          импульсная потребляемая мощность не более 80 кВт.;

-          амплитуда потребляемого тока не более 160 А;

-          значение импульсного потребляемого тока — не более 125 А;

-          длительность импульса тока — 1 с.;

-          номинальное напряжение на зажимах соленоида — 500 В;

-          номинальный ток соленоида — 50 А.

Таким образом, МИО представляет собой комплексное воздействие на металлическую поверхность и является перспективным методом повышения износостойкости металлорежущего инструмента.

 

Литература:

 

1.      Курепин М. О., Козлюк А. Ю., Овчаренко А. Г. Комбинированная магнитно-импульсная обработка режущего инструмента. - 2010.- № 9. — С.26–29;

2.      Овчаренко А. Г., Козлюк А. Ю., Курепин М. О. Индукторы для комбинированной магнитно-импульсной обработки инструментов различной формы // Обработка металлов. - 2008.- № 3. — С.11–12.;

3.      Овчаренко А. Г., Козлюк А. Ю. Эффективная магнитно-импульсная обработка режущего инструмента// Обработка металлов. - 2009.- № 1. — С.4–7;