Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Таганрог, Ростовская область, Россия
УДК 621 Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
Представлены результаты исследований и направления практического применения магнитодинамического метода в металлообрабатывающем производстве на операциях упрочнения деталей, нанесения твердосмазочных покрытий, для переработки шламовых отходов шлифовального производства. Раскрыта сущность и средства технологического оснащения метода. Приведены аналитические зависимости, рекомендуемые режимы и условия выполнения магнитодинамической обработки при выполнении технологических операций. Установлено, что основным источником энергетического воздействия на объект обработки или переработки является магнитовибрирующий слой, формируемый в устройствах, создающих вращающееся электромагнитное поле и обеспечивающий технологический эффект за счет протекания в нем различных физических эффектов и интенсивного движения частиц дисперсной среды. Разработаны, с использованием устройств с вращающимся электромагнитным полем, конструкторско-технологические решения технологических систем, позволяющие с высокой технико-экономической эффективностью осуществлять: упрочнение деталей малой жесткости и большой длины, а также, деталей с труднодоступными внутренними полостями; производить переработку шламовых отходов шлифовального производства, с целью получения вторичного сырья для порошковой металлургии, инструментального и литейного производства Показано, что магнитодинамический метод достаточно эффективен для нанесения на поверхности деталей твёрдосмазочных антифрикционных покрытий, который позволяет: формировать на обрабатываемой поверхности шаровидной и эллипсной формы следы ударно-импульсного воздействия инденторов, свидетельствующие об образовании смазочной плёнки; уменьшить высоту микронеровностей и увеличить радиус закругления вершин выступов и истинную площадь контакта между покрытием и поверхностью металла ; осуществлять сцепление покрытия по всей площади контакта индентора с металлической поверхностью; обеспечить равномерность нанесения смазочной плёнки на поверхности деталей практически любой сложной формы.
вращающееся электромагнитное поле, магнитовибрирущий слой, неравноосные инденторы, упрочнение, шлифовальный шлам, разрушение конгломератов, твердосмазочное покрытие
Наметившаяся, в последние годы тенденция активного развития и внедрения в технологическую практику обработки материалов электрофизических методов, предопределили создание магнитодинамического метода обработки, использующего в качестве основного источника энергии вращающееся электромагнитное поле (ВЭМП). [1]. Формируемый в рабочей зоне индуктора (рис. 1)
магнитовибрирующий слой (МВС), обеспечивает с высокой интенсивностью и гибкостью технологический эффект процесса обработки [1, 2].
Основными управляющими параметрами, влияющие на производительность и качество выполняемых магнитодинамическим методом технологических процессов, являются частота вращения и напряженность электромагнитного поля, масса загрузки, размеры и магнитные свойства обрабатываемой или обрабатывающей среды.
Исследования, проведённые в НИИ «Вибротехнология» ДГТУ позволили определить направления наиболее предпочтительного практического применения магнитодинамического метода в металлообрабатывающем производстве: упрочнение деталей, переработка шламовых отходов шлифовального производства, нанесение покрытий. Несмотря на различия вышеотмеченных технологических процессов все они могут быть реализованы в условиях одного и того типа устройства, характеризующегося простотой конструктивного исполнения и управляемостью процесса обработки. Ниже представлены особенности и практические рекомендации по технологического обеспечению обработки магнитодинамическим методом.
Упрочняющая обработка
магнитодинамическим методом
Для упрочнения деталей магнитодинамическим методом в качестве обрабатывающей среды применяют неравноосные цилиндрические инденторы из стали ШХ15, с соотношением длины к диаметру l/d = 10 [1, 3, 4]. В процессе магнитовибрирования инденторы, совершая хаотичное поступательно-вращательное движение, в секунду осуществляют от 103…104 ударно-импульсных соударений с поверхностью обрабатываемых деталей, подвергая её упруго-пластической деформации. Эффективность силового воздействия инденторов на обрабатываемую поверхность зависит от массы их загрузки в рабочую зону устройства, совокупный объём которых не должен превышать 1/3 объёма рабочей зоны устройства.
Значение индукции, при котором формируется МВС, обеспечивающий технологический эффект упрочнения установлен на уровне 0,08 Тл. Увеличение индукции электромагнитного поля до 1,12 Тл приводит к повышению интенсивности процесса 1,5 раза.
На основе теоретико-вероятностных представлений контактного взаимодействия инденторов с обрабатываемой поверхностью предложена формула для оценки продолжительности упрочняющей обработки деталей магнитодинамическим методом:
,
где 
– кратность покрытия поверхности пластическими отпечатками, рекомендуется 12…14;
– интенсивность обработки, составляет 0,8…0,85; 
– угловая скорость вращения электромагнитного поля, Гц.
Экспериментально подтверждено, что продолжительность упрочнения деталей магнитодинамическим методом в пределах рабочей зоны устройства составляет 3…5 мин. При этом высота профиля обрабатываемой поверхности достигает величины установившейся шероховатости. Твёрдость, глубина и величина остаточных напряжений увеличиваются до значений, свойственных предельному состоянию упрочнённого поверхностного слоя обрабатываемого материала [3, 4]. Дальнейшая обработка свыше 5 мин приводит к снижению этих параметров в результате перенаклёпа поверхностного слоя.
Применение устройств, реализующих магнитодинамический метод, позволяет с высокой технико-экономической эффективностью осуществлять: упрочнение деталей малой жесткости и большой длины (тонкостенные трубы, стрингеры, пояса), а также деталей с труднодоступными внутренними полостями (например: ланжерон и др.)
Установка проходного типа, представленная на рис. 2, по сравнению с существующими на практике дробеструйными установками, позволяет снизить материалоёмкость и энергоёмкость оборудования до 8 раз и повысить производительность обработки деталей в 1,5 раза [4].
Магнитодинамическая переработка
шламовых отходов
шлифовального производства
Проведённые исследования и полученные при этом результаты показали что устройства с вращающимся электромагнитным полем позволяют достаточно эффективно решить проблему разрушения и измельчения шламовых отходов, представляющих собой, после удаления технологической жидкости, обезжиривания и сушки, смесь конгломератов различной формы, состоящих на 80 % из ферромагнитных частиц в виде металлической стружки и частиц абразива [5, 7, 10].
В основе разрушения и измельчения конгломератов и его частиц магнитодинамическим методом лежит процесс ударно-импульсного контактного взаимодействия, протекающий в условиях магнитовибрирующего слоя. Установлено, что наибольший технологический эффект разрушения и измельчения конгломератов шлама, достигается при частотах магнитного поля в пределах 50…60 Гц и загрузке их не более 35…40 % объёма рабочей зоны устройства (рис. 4).
На основе законов Риттингера и
Кирпичева-Кика установлены пороговые значения индукции, обеспечивающие:
‒ разделение магнитной и немагнитной компонент содержащихся в шламовых
отходах [5]:
Экспериментально подтверждена адекватность предложенных аналитических зависимостей, из которых следует, что для реализации процессов разделения конгломератов шлама на составляющие компоненты, индукция вращающегося электромагнитного поля должна быть выше 2,5 мТл, а для измельчения ферромагнитных (стальных) частиц необходимо высоко градиентное поле с индукцией не менее 5,5 мТл.
Конструкторско-технологическое решение технологического комплекса, реализующего разрушение, разделение и измельчение шламов шлифовального производства магнитодинамическим методом приведено на рис. 5 [5].
Комплекс, имея малые габаритные размеры (1200х400х500 м), позволяет автономно полностью автоматизировать процесс переработки шламов с производительностью
0,8…0,9 кг/мин при индукции магнитного поля 8,5 мТл и частоте 60 Гц и обеспечить измельчение ферромагнитных частиц до размера 40…25 мкм. По сравнению с переработкой на базе устройства состоящих из бильной мельницы и магнитовибрационного сепаратора комплекс позволяет повысить технико-экономическую эффективность переработки шламовых в 4 раза.
Нанесение твердо-смазочных покрытий
магнитодинамическим методом
В качестве наиболее распространённых способов нанесения твердо-смазочных покрытий на основе порошкообразных материалов со слоистой структурой, широко применяемых в технологии изготовления деталей для улучшения технологических характеристик, снижения трения, в машинах, используют ручной и напыление. Существенным недостатком этих способов является низкая адгезионная прочность
покрытия [9].
Механическая активация процессов нанесения покрытия путём ударно-импульсного воздействия частиц (гранул) рабочей среды в условиях виброволновых технологических системах позволяет повысить эффективность процесса и получить дополнительные технико-экономические преимущества связанные с обработкой деталей в больших количествах [6, 9] . Однако, как показали исследования, энергосиловые возможности этого метода. составляющие порядка 30…120 Н, не обеспечивают формирование на поверхности достаточно прочного покрытия. Для их повышения предлагается применить магнитодинамический метод, сущность которого заключается в следующем.
В рабочую зону устройства в определённом соотношении одновременно загружаются стальные неравноосные инденторы и среда покрытия, которая не обладает ферромагнитными свойстваи (рис. 6). Под воздействием вращающегося электромагнитного поля сформированный из неравноосных инденторов магнитовибрирующий слой приводит твердосмазочную среду в псевдоожжиженное состояние [8]. Одновременно протекает процесс измельчения её при попадании частиц между двумя соударяющимися инденторами. Частицы, находящиеся на поверхности детали, в результате ударно импульсного воздействия инденторов на них вдавливаются в поверхность и модифицируют поверхностный слой, изменяя его геометрические и физико-механические параметры. Эффективность протекания процесса зависит от напряжённости и градиента индукции магнитного поля.
Нанесение покрытия может осуществляться на поверхность деталей, находящихся в рабочей зоне устройства или в свободном состоянии, или в закреплённом относительно магнитовибрирующего слоя или осуществляющих относительное осевое перемещение вдоль рабочей зоны устройства. Применение винтообразного исполнения рабочей зоны устройства (рис. 6) приводит к дополнительной активации процесса перемешивания среды покрытия, и как следствие интенсифицировать процесс нанесения покрытия.
Об эффективности нанесения твердосмазочных покрытий магнитодинамическим методом свидетельствуют нижеприведённые экспериментальные результаты:
– формируемые на обрабатываемой поверхности шаровидной и эллипсной формы следы ударно-импульсного воздействия инденторов, свидетельствуют об образовании смазочной плёнки, толщина которой зависит от механического сцепления между кристаллами MoS2 и металлом, обусловленного шероховатостью, т. е. доступной удельной поверхностью;
– уменьшается высота микронеровностей, радиус закругления вершин выступов и истинная площадь контакта между покрытием и поверхностью металла увеличивается;
– сцепление покрытия осуществляется по всей площади контакта индентора с металлической поверхностью;
– равномерность нанесения смазочной плёнки на поверхности деталей практически любой сложной формы.
Заключение
Проведённые исследования и предложенные на их основе конструкторско-технологические решения позволяют сделать вывод об эффективности и перспективности применения устройств с вращающимся электромагнитным полем в металлообрабатывающем производстве для выполнения технологических операций упрочнения деталей малой жесткости и большой длины, а также, деталей с труднодоступными внутренними полостями; для переработки шламовых отходов шлифовального производства, с целью получения вторичного сырья для порошковой металлургии, инструментального и литейного производства Магнитодинамический метод нанесения покрытий в среде металлических тел сочетает все необходимые условия для нанесения
твердосмазочных покрытий.
1. Логвиненко Д.Д., Щеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем. Киев.: Техника, 1976. 143 с.
2. Болога М.К., Марта И.Ф. Магнитоожижение во вращающемся магнитном поле // Магнитная гидродинамика. 1988. № 3. С. 103–108.
3. Лебедев В.А., Вернигоров Ю.М., Кочубей А.А. Энергетические аспекты отделочно-упрочняющей обработки деталей в условиях вращающегося электромагнитного поля // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2016. № 6 (60). С. 35–42.
4. Кочубей А.А., Лебедев В.А., Вернигоров Ю.М. Упрочнение длинномерных деталей во вращающемся электромагнитном поле. Ростов-на-Дону.: ДГТУ, 2018. 135 с.
5. Лебедев В.А., Ширин А.А., Коваль Н.С., Вернигоров Ю.М. Технологическое обеспечение переработки шламовых отходов шлифовального производства с применением электромагнитного поля // Воронежский научно-технический Вестник. 2022. Т. 2. № 2 (40).С. 30–37.
6. Бабичев А.П. Основы вибрационной технологии. Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2008. 694 с.
7. Лебедев В.А., Ширин А.А., Коваль Н.С., Вернигоров Ю.М. Исследование процесса переработки конгломератов шлифовального шлама в устройствах с вращающимся электромагнитным полем // Advanced Engineering Research. 2022. Т. 22. № 4. С. 338–345.
8. Егорова С.И. Магнитовибрационное ожижение. Ростов-на-Дону.: ДГТУ, 2009. 162 с.
9. Иванов В.В., Бабичев А.П. Вибрационные механохимические покрытия. Саарбрюкен, Германия: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014. 119 с.
10. Повстяной А.Ю., Рудь В.Д. Использование отходов промышленного производства для изготовления материалов конструкционного назначения // Устойчивое развитие. 2014. № 19. С. 159–164.
