Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА ПЕРВАЯ. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 9
1.1 .Анализ методов отделочной обработки 9
1.2.Краткий анализ работ в области обработки свободными абразивами 30
1.3 . Возможности магнитно-абразивного полирования 42
1.4.Анализ технологических сред, используемых при магнитно- абразивном полировании 55
1.4.1 .Исследование влияния смазочно-охлаждающих технологических сред 55
1.4.2.Материалы, используемые в качестве ферромагнитных наполнителей при магнитно-абразивном полировании 64
1.5.Возможности импульсной магнитной обработки 72
Выводы и задачи исследования 76
ГЛАВА ВТОРАЯ. Оборудование и методика проведения экспериментальных исследований 78
2.1 .Технологическое оборудование 78
2.2. Лабораторная установка для исследования процесса магнитно-абразивного полирования единичной иглой 78
2.2.1 .Разработка конструкции и изготовление лабораторной установки 78
2.2.2.Расчет полей электромагнитной катушки 88
2.3.Приборы и приспособления для экспериментальных исследований 93
2.4. Методика проведения экспериментов 95
Выводы 102
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Теоретико-экспериментальные исследования магнитно-абразивного полирования 103
3.1.Определение оптимальных режимов магнитно-абразивного полирования 103
3.2. Моделирование изменения текстуры поверхности деталей в процессе магнитно-абразивного полирования 123
3.3.Исследование влияния смазочно-охлаждающих технологических сред 132
ЗАИсследование твердого наполнителя, используемого при магнитно-абразивном полировании 140
3.4.1.Упрочнение твердого наполнителя импульсной магнитной обработкой 140
3.4.2.Исследование интенсивности изнашивания твердого наполнителя 145
Выводы 149
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Некоторые вопросы совершенствования технологии отделочной обработки деталей из медных сплавов свободными абразивами 151
4.1.Исследование этапов отделочной обработки деталей из медных сплавов свободными абразивами 151
4.2. Разработка технологического процесса отделочной обработки деталей из медных сплавов свободными абразивами с учетом результатов исследований 154
4.3 .Оценка экономической эффективности внедрения смазочно-охлаждающей технологической среды 159
Выводы 161
Основные результаты и выводы по работе библиографический список
- Возможности магнитно-абразивного полирования
- Лабораторная установка для исследования процесса магнитно-абразивного полирования единичной иглой
- Моделирование изменения текстуры поверхности деталей в процессе магнитно-абразивного полирования
- Разработка технологического процесса отделочной обработки деталей из медных сплавов свободными абразивами с учетом результатов исследований
Введение к работе
Хорошо отполированная поверхность изделия имеет огромную важность
в ювелирном производстве. Идеальная полировка может значительно улучшить
* |т> общее впечатление от изделия. Достижение качественной полировки -
рутинный процесс, состоящий из нескольких этапов, часто - это многостадийная шлифовка с постепенным уменьшением зерна абразива, галтовка или другие малопроизводительные методы отделки. Таким образом, шлифовка и полировка ювелирных изделий считается наиболее трудной и дорогостоящей работой. На финишную обработку поверхности в ювелирной промышленности приходится, примерно, 60 % стоимости продукции. Традиционные методы отделки не могут обеспечить своевременное и качественное выполнение работ, особенно в условиях массового производства. Попытки ускорения финишной обработки и снижения затрат посредством технических средств делались всегда.
Медные сплавы широко применяются в ювелирной промышленности и в
производстве товаров народного потребления широкого ассортимента
(ювелирная галантерея, пластика малых форм, фурнитура, изделия посудной
группы и т.д.) благодаря своим механическим и эстетическим свойствам
(ковкость, пластичность, хорошие литейные свойства, красивый внешний вид и
т.д.). Особое внимание при изготовлении изделия уделяется его дизайну,
позволяющему удовлетворить технологические и эстетические требования к
нему. Для придания изделию особого декоративного вида используют
отделочную обработку, включающую шлифовку и полировку. Отделочная
обработка для них применяется как окончательный этап изготовления изделия
^ перед нанесением покрытий и после нанесения покрытий. Отделочная
обработка позволяет обеспечить требуемое качество изделий.
Для деталей сложной формы, какими являются ювелирные и художественные изделия, в последнее время широко применяются методы обработки свободными абразивами, в которых инструмент не имеет
7 механической связи со станком. Эти методы позволяют сочетать высокую производительность обработки с хорошим качеством обработанной поверхности деталей сложной конфигурации из различных материалов при простом по конструкции оборудовании.
Дальнейшее развитие технологических процессов обработки деталей сложной формы свободными абразивами имеет определенные трудности. Они, в первую очередь, связаны с недостаточной разработкой теории процессов обработки свободными абразивами, а также с тем, что еще не выявлены аналитические зависимости, связывающие параметры обрабатываемой детали со структурой и режимами процессов обработки свободными абразивами.
Поэтому возникает необходимость в исследовании и оптимизации технологических параметров отделочной обработки свободными абразивами, составом смазочно-охлаждающих технологических средств и характеристиками абразива.
Цель работы
Повышение качества отделочной обработки поверхностей деталей из медных сплавов свободными абразивами на основе исследования и оптимизации взаимосвязей между технологическими параметрами, составом СОТС и характеристиками абразива.
Научная новизна
Получены математические модели, устанавливающие взаимосвязь технологических параметров с качественными характеристиками поверхностей деталей и производительностью отделочной обработки свободными абразивами. Проведена оптимизация режимов обработки.
Получены имитационные модели изменения шероховатости поверхности деталей при обработке свободными абразивами на основе применения современных методик и компьютерных программ трехмерного моделирования.
Разработана методика исследования износа единичных игл, применяемых в качестве твердого наполнителя для магнитно-абразивного полирования.
4. Установлено изменение физико-механических и эксплуатационных свойств твердого наполнителя для магнитно-абразивного полирования под влиянием обработки импульсным магнитным полем, в частности выявлено увеличение микротвердости поверхностного слоя и повышение прочности. Практическая значимость работы
Разработан и внедрен в производство новый состав СОТС с повышенными поверхностно-активными и моющими свойствами, эффективность которой подтверждена производственными испытаниями.
Разработаны и предложены рекомендации по внедрению технологического процесса упрочнения твердого наполнителя для магнитно-абразивного полирования импульсной магнитной обработкой.
Выявлены и предложены оптимальные режимы магнитно-абразивного полирования медных сплавов.
Реализация работы
-% Результаты работы внедрены на участке гальваники ЗАО ГПОЗ «Красная
Пресня».
Работа выполнена на кафедре «Технология автоматизированного машиностроения» Ивановского государственного энергетического университета им. В.И. Ленина.
Возможности магнитно-абразивного полирования
Одним из прогрессивных финишных процессов обработки свободными абразивами является способ магнитно-абразивного полирования (МАП). Первые его теоретические исследования выполнены в Физико-техническом институте АН БССР [120].
К настоящему времени на способы магнитно-абразивного полирования и устройства для их воспроизведения имеется более 250 изобретений, и в этом разнообразии схем необходимо ориентироваться. Ограничиться каким-либо одним признаком классификации не представляется возможным, поскольку при выборе той или иной схемы руководствуются разными мотивами. Барон Ю.М. [14,16] предлагает схемы МАП классифицировать по трем признакам: 1) функциональному назначению магнитного поля в каждом конкретном случае; 2) технологическому признаку - форме обрабатываемых поверхностей; 3) типу используемого магнитного индуктора.
Согласно 1-му признаку все известные схемы магнитно-абразивного полирования могут быть разделены на пять групп, которые условимся обозначать римскими цифрами: Группа I - магнитное поле формирует из порошковой ферромагнитной абразивной массы режущий инструмент с управляемой жесткостью и создает силы резания. Группа II - магнитное поле формирует из порошковой ферромагнитной абразивной массы режущий инструмент с управляемой жесткостью, создает силы резания и сообщает режущему инструменту движения резания. Группа III -магнитное поле сообщает силы и движения резания несформированной массе ферромагнитного абразивного порошка. Группа IV - магнитное поле сообщает необходимые для резания движений непосредственно заготовке или абразивному инструменту. Группа V - магнитное поле в зоне обработки интенсифицирует или улучшает качественные характеристики существующих абразивных способов обработки.
Общим для всех групп является присутствие переменного магнитного поля (переменным из-за относительных перемещений заготовки и индуктора, независимо от его типа) в зоне абразивного резания, изменение под его воздействием механических характеристик обрабатываемого металла и активизация химико-физических явлений, способствующих интенсификации резания и полирования. Согласно 2-му признаку схемы удобно разделить на четыре группы, которые условимся обозначать заглавными буквами русского алфавита: А - схемы полирования наружных поверхностей вращения; Б - схемы полирования внутренних поверхностей вращения; В - схемы полирования плоскостей и линейчатых фасонных поверхностей; Г - схемы полирования трехмерных фасонных поверхностей. Поскольку существуют схемы и устройства, позволяющие производить полирование разных по форме поверхностей, то обозначение таких схем могут включать одновременно две или три буквы. По типу индуктора, создающего в зоне обработки магнитное поле, все схемы МАП подразделяются на четыре группы: 1 - схемы с электромагнитными индукторами постоянного тока; 2 - схемы с электромагнитными индукторами переменного тока; 3 - схемы с электромагнитными индукторами трехфазного тока; 4 - схемы с индукторами на постоянных магнитах. С учетом принятых нами обозначений каждой схеме магнитно-абразивного полирования или устройству для МАП может быть присвоен шифр, раскрывающий характерные признаки данной схемы полирования и ее технологические возможности. Например, шифр I-A-4 обозначает, что данная схема МАП позволяет осуществлять полирование наружных поверхностей вращения с помощью магнитного поля в рабочих зазорах формируется абразивный инструмент из магнитно-абразивного порошка и создаются силы резания, а необходимые рабочие движения сообщаются заготовке обычными средствами.
На рис. 1.9, а — д представлены примеры схем МАП I группы. Для обработки наружных цилиндрических или фасонных поверхностей вращения заготовку / помещают между полюсами электромагнита постоянного тока (рис. 1.9, а). Зазоры между полюсами 2 и обрабатываемой поверхностью заполняют магнитно-абразивным порошком 3. При этом образуется своеобразный абразивный инструмент, копирующий форму обрабатываемой поверхности. Жесткостью этого инструмента можно управлять, изменяя напряженность магнитного поля в рабочих зазорах. Магнитное поле удерживает порошок в зазорах и прижимает его к обрабатываемой поверхности. Необходимые для полирования движения резания - вращение и осцилляцию вдоль оси — сообщают заготовке с помощью обычных электромеханических приводов.
На рис. 1.9, б показана схема полирования наружных цилиндрических и фасонных поверхностей вращения небольших диаметров с консольным закреплением заготовок. Обработке одновременно подвергают несколько заготовок 5, каждая из которых закреплена в отдельном шпинделе. Кольцевая ванна 4 выполнена из немагнитного материала и заполнена магнитно-абразивным порошком. По внутреннему и наружному периметрам ванны размещены полюсы электромагнитов противоположной полярности. При их включении порошок образует внутри ванны абразивный инструмент (среду) с регулируемой жесткостью. Заготовкам сообщают три рабочих движения: вращение вокруг собственных осей, осцилляцию вдоль оси и перемещение вдоль средней окружности кольцевой ванны.
Лабораторная установка для исследования процесса магнитно-абразивного полирования единичной иглой
Экспериментальные исследования процессов отделочной обработки проводились на оборудовании для магнитной галтовки с регулятором скорости марки CN 175МТ -N (рис. 2.1), на оборудовании для роторной галтовки ОТЕС CF 3x18 (рис. 2.2), на оборудовании для ленточной галтовки BRUNIMAT модель Cyclo (рис. 2.3), технические характеристики которых приведены в табл. 2.1,2.2, 2.3.
Достоинством применяемого оборудования является простота конструкции, удобство в эксплуатации, универсальность. Эти станки успешно работают на ЗАО ПЮЗ «Красная Пресня», где проводились эксперименты, и на .X многих ювелирных заводах и в мастерских. Эксперименты проводились со свободной загрузкой образцов в рабочую камеру. Магнитное поле создает электромагнитная катушка /, сквозь нее проходит вращающийся вал 2, на конце которого находится концентратор в виде диска 3, позволяющий получать наибольшую магнитную индукцию в зоне обработки. Концентратор помещен в резервуар 4 из немагнитного материала. Обрабатываемую заготовку в виде кольца 5 из медного сплава закрепляют на вращающемся вместе с валом концентраторе. В резервуар помещают исследуемую иглу 5, магнитное поле прижимает иглу к обрабатываемой поверхности, осуществляя процесс полирования.
Схема работает следующим образом. Тумблер 77 служит для включения всей цепи. Регулируемый автотрансформатор ЛАТР позволяет бесступенчато изменять величину тока в обмотке электромагнитной катушки ЭМК и тем самым регулировать ее магнитодвижущую силу. Амперметр А регистрирует силу тока в обмотке.
Блок питания БП позволяет регулировать частоту вращения вала с помощью регулятора частоты вращения РЧВ и подключать вентилятор В для охлаждения электромагнитной катушки. Тумблер Т2 служит для включения привода вала, тумблер ТЗ включает вентилятор.
На рис. 2.6 представлена фотография установки, конструкции электромагнитной катушки и резервуара. Для исследования конфигурации магнитного поля необходимы громоздкие- вычисления [46}. В настоящее- время появился- рядг программных" комплексов, таких как Ansys, Elcut и др., позволяющих производить расчет двухмерных и трехмерных задач магнитостатики на основе конечно-элементарного моделирования.
Расчет полей электромагнитной катушки произведен с помощью компьютерной программы Elcut, версия 4.2Т, которая позволяет моделировать двухмерные поля методом конечных элементов. Elcut позволяет представить картину поля и локальные полевые значения.
При расчете задачи используется уравнение Пуассона для векторного магнитного потенциала A (B-rotA В - вектор магнитной индукции). В рассматриваемой задаче вектор индукции В лежит в плоскости модели (ху или zr\ вектор плотности тока j и векторный потенциал А перпендикулярны к плоскости модели. При построении модели на внешних границах задается граничное условие Дирихле. Это граничное условие определяет поведение нормальной составляющей индукции на границе, задавая на части ее уже известный векторный магнитный потенциал в вершине или на ребре модели.
Магнитная катушка, используемая в лабораторной установке, имеет следующие характеристики: 4 - внутренний диаметр 13 мм; - наружный диаметр 68 мм; - число витков в обмотке п=795; - величина тока в обмотке 1=8А. Расчет магнитного поля электромагнитной катушки лабораторной установки состоит из нескольких этапов.
1.Построение геометрической модели магнитной катушки. Она содержит следующие геометрические объекты: продольное сечение электромагнитной катушки, вала и концентратора, окруженное контуром размером 184 78 мм (рис. 2.7).
2.3адание свойств объектов и связи между этими объектами и свойствами сред, источником поля и граничными условиями: -для блоков, определяющих обмотку магнитной катушки, задается т плотность тока согласно уравнению (2.2); -для материала вала и концентратора (Ст 3) задается характеристика намагничивания (табл. 2.4) [16]; -для блоков, характеризующих окружающую среду, задается магнитная проницаемость, в данном случае /У=1 (среда - воздух).
3.Построение сетки конечных элементов. Данный этап проводится автоматически компьютером. Количество узлов ограничено программой и не может превышать 200 узлов (рис. 2.8).
4.Решение задачи. Программа согласно представленной геометрической модели рассчитывает характер магнитного поля в узлах и ребрах модели. Результат расчетов можно наблюдать в виде картины поля.
Картина линий магнитного потока (силовых линий) для магнитного поля, создаваемого электромагнитной катушкой, представлена на рис. 2.9. Полученная картина поля подтверждает эффективность применения концентратора для локализации магнитного потока в зоне обработки. Распределение значений индукции магнитного поля представлено на рис. 2.10. Величина магнитной индукции в зоне обработки достигает 20 мТл.
Моделирование изменения текстуры поверхности деталей в процессе магнитно-абразивного полирования
Для детального изучения состояния текстуры поверхности использована методика компьютерного трехмерного моделирования. Моделирование текстуры поверхности позволяет перейти от линейно-выборочного анализа микрорельефа к трехмерному топографическому представлению, исследовать тенденцию поведения микрорельефа [43, 49, 108]. Для построения модели использовалась программная среда трехмерного моделирования 3D Studio МАХ.
Алгоритм построения трехмерной модели представлен на рис 3.4. На первом этапе собирается параметрическая информация модели. Для этого с исследуемой поверхности снимаются (сканируются) профилограммы. Далее, на втором этапе, для возможности обработки при помощи вычислительной техники производится оцифровка полученных профилограмм. Полученные файлы оцифровки передаются в среду трехмерного моделирования 3D Studio МАХ посредством программного плагина XY-spline. Третьим этапом является создание базовой модели поверхности, состоящей из набора сплайнов.
Базовая модель параметризуется согласно полученным профилограммам и приобретает при визуализации форму поверхности адекватную реальной (этап 4). Степень адекватности определяется степенью синхронизации сканирования, точностью оцифровки профилограмм, дискретностью базовой модели.
Рассмотрим процесс создания модели поверхности, получаемой при МАП сплава нейзильбера МНЦ 15 - 20. Моделировалось состояние поверхности до обработки и через каждые 5 минут обработки. Общее время обработки 15 мин.
Согласно предложенному алгоритму сначала были получены профилограммы поверхности с помощью профилометра-профилографа модели АБРИС-ПМ7. 1-.- ЭТАПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ С каждого образца снималось шесть профилограмм с шагом сканирования А=0,1 мм; длина профилограммы /=0,8 мм, таким образом профилограммы снимали с площадки длиной /=0,8 мм и шириной Ь=0,5 мм. В виду особенностей программного обеспечения профилографа была возможность получить только растровое изображение профилограмм (рис.3.5), поэтому для возможности их обработки средствами вычислительной техники, они оцифровывались с помощью программы Grafiila 4.0. Данная программа позволяет оцифровывать изображения графиков, профилограмм и т.п.
Предварительно изображение профилограмм обрабатывалось в графическом редакторе Photoshop7.0. Изображение приводилось к виду, показанному на рис. 3.6. Толщина линии профилограммы устанавливалась в 1 пиксель, положение нулевой линии и границ сканирования отмечалось маркерами Ki и Кг. Отредактированное изображение профилограммы передавалось в прикладной пакет Grafula 4.0. для оцифровки (рис. 3.7). Положение оси координат 3 определялось по установленным маркерам К і и Кг. Оцифровка осуществлялась в автоматическом режиме по заданной полосе поиска /. Полоса поиска состоит из последовательности окружностей 2, представляющих собой элементарную зону поиска.
В каждом элементе (окружности) программа ищет точку отличную от фона. По нахождению точки маркируется ее значение по оси X и значение по Y. Результатом оцифровки являлся двухмерный массив координат X, Y в виде текстового файла (рис. 3.8).
Для создания трехмерной модели поверхности использовалась базовая модель (рис. 3.9). Она представляет собой набор сплайнов, расположенных друг относительно друга на расстоянии равном шагу дискретизации. Шаг дискретизации h устанавливался равным шагу сканирования профилограмм. Длина сплайнов / определялась длиной профилограммы.
Далее осуществлялась параметризация сплайнов. Для этого использовались файлы оцифровки. С помощью программного модуля XH-spline каждый сплайн модели менял свою геометрию в соответствии с массивом координат точек, описывающих соответствующую профилограмму. При этом базовая модель приобретала вид, показанный на рис. 3.10.
В заключении осуществлялась визуализация модели. Визуализация проводилась в два этапа. На первом этапе сплайны обтягивались сеткой с размером ячейки на порядок меньше шага дискретизации рис. 3.11, а. На втором этапе к сетке поверхности применялся «материал», имитирующий металлическую поверхность рис. 3.11, б.
Результатом моделирования было получение трехмерной поверхности, в достаточной степени адекватно описывающей текстуру реальной поверхности.
Трехмерные модели текстуры поверхности материала марки МНЦ 15-20 были построены для образцов до обработки, после 5, 10 и 15 минут МАП в СОТС марки МС М-4 (рис. 3.12). Текстуры представлены в двух вариантах, в первом случае модель поверхности масштабирована по оси Z согласно профилограммам, во втором случае представлено изображение поверхности в реальном масштабе.
Анализ полученных текстур показал, что в результате магнитно абразивной полировки в первые 10 минут происходит интенсивное сглаживание (смятие) и срезание выступающих вершин поверхности. В течение следующих 5 минут обработки процесс пластического деформирования замедляется, вероятно, это происходит по причине упрочнения поверхностной структуры в результате микронаклепа. При обработке образцов в течение 20-30 минут значительных изменений текстуры поверхности не наблюдается.
Разработка технологического процесса отделочной обработки деталей из медных сплавов свободными абразивами с учетом результатов исследований
Технологические операции при отделочной обработке свободными абразивами изделий из цветных металлов на ЗАО ПЮЗ «Красная Пресня» производятся в следующей последовательности: 1) магнитно-абразивное полирование 2) центробежно-ротационная обработка; 3) галтовка. Режимы МАП, ЦРО и галтовки см. в гл. 2.
После каждого этапа обработки поверхность заготовок фотографировалась, замерялась ее шероховатость, проводились замеры отражательной способности поверхности и массы обрабатываемых заготовок
Фотографии образцов из МНЦ 15-20 позволяют видеть следы обработки, оставленные свободными абразивами на поверхности (рис.4.1). На рис. 4.1, а — поверхность до обработки. На рис. 4.1, б - поверхность после МАП, на ней наблюдаются выглаженные участки. На рис. 4.1, в - поверхность после ЦРО, она в мелких и частых рисках, отсутствуют выглаженные участки. На рис. 4.1, г - поверхность после галтовки, отсутствуют риски, поверхность гладкая, ровная.
Замеры шероховатости поверхности (рис. 4.2, 4.3) выявили, что, несмотря на появление на поверхности большого количества рисок при ЦРО, шероховатость ее меньше, чем после МАП. Наименьшая шероховатость поверхности достигается после галтовки.
Анализ полученных результатов показывает, что отражательная способность поверхности (рис. 4.4) увеличивается на этапе - МАП и наибольшего значения достигает после галтовки. Отмечено снижение достигнутых значений отражательной способности поверхностей после ЦРО. Причем, масса снимаемого металла минимальна на операциях МАП и галтовки, максимальна на операции ЦРО (рис. 4.5).
Результаты исследований аналогичны для всех типов материалов (МНЦ 15-20,Л90,Л63).
Отмечено, что за счет большого съема металла при ЦРО ликвидируются результаты, достигнутые после МАП, что приводит к ухудшению показателей качества поверхности после ЦРО (в частности уменьшение показателя отражательной способности поверхности).
Выявлено, что полирование без съема металла в конце обработки уменьшает шероховатость и увеличивает микротвердость поверхности детали [79]. Для получения перехода от активного резания к полированию - смятию без съема металла - целесообразно выполнять, в первую очередь, центробежно-ротационную обработку, а затем магнитно-абразивное полирование и галтовку.
Разработка технологического процесса отделочной обработки деталей из медных сплавов свободными абразивами с учетом результатов исследований
По результатам исследований технологических операций отделочной обработки свободными абразивами сделан вывод о целесообразности изменения их последовательности. Наиболее целесообразно производить отделку в следующей последовательности: 1) центробежно-ротационная обработка; 2) магнитно-абразивное полирование; 3) галтовка. Режимы ЦРО и галтовки см. в гл. 2. Наиболее подробно разработана технология магнитно-абразивного полирования. Технологические операции при МАП производятся в следующей последовательности: 1} загрузка деталей в зону обработки вручную; 2) загрузка игл и деталей; 3) подача в зону резания смазывающе-охлаждающей жидкости (марка МС М-4); 4) сообщение магнитному полю вращательного движения (2200 об/мин); 5) обработка в течение 6-8 мин; 6) мойка и сушка деталей. 7) демагнитизация игл. Упрочнение новой партии игл для МАП проводить после их приработки (30-40 мин), в дальнейшем - через каждые 10 циклов МАП. Режимы ИМО: напряженность магнитного поля //=250 кА/м, время упрочнения /=3сек. Замену СОТС МС М-4 производить через каждые 10 циклов МАП.
Применение технологических операций в предложенной последовательности и режимами позволяет получить более низкую шероховатость поверхности и повысить отражательную способность поверхности деталей (рис. 4.6,4.7).
