Повышение стойкости режущего инструмента путем комбинированной магнитно-импульсной обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Козлюк, Андрей Юрьевич

• Козлюк, Андрей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Козлюк, Андрей Юрьевич

Введение.

1 Обоснование метода поверхностного упрочнения.

1.1 Влияние физико-механических характеристик сталей на износ.

1.2 Анализ методов поверхностного упрочнения сталей.

1.3 Особенности методов магнитной обработки сталей.

1.4 Механизм магнитного упрочнения сталей.

Выводы.

2 Моделирование комбинированной магнитно-импульсной обработки.

2.1 Диффузия магнитного поля в обрабатываемый металл.

2.2 Распределение энергии магнитного поля в металле.

2.3 Дислокационная модель упрочнения.

Выводы.

3 Экспериментальное исследование процесса комбинированной магнитно-импульсной обработай.

3.1 Описание экспериментальной установки.

3.2 Измерение импульсного тока.

3.3 Методика проведения эксперимента.

3.4 Результаты экспериментов.

3.4.1 Исследования обработки цилиндрической поверхности режущего инструмента.

3.4.2 Исследования обработки плоской поверхности режущего инструмента.

3.4.3 Исследования обработки сложной поверхности режущего инструмента.

Выводы.

4 Инженерная методика расчета оборудования для комбинированной магнитно-импульсной обработки.

4.1 Выбор структурной схемы комбинированной МИО.

4.2 Функциональная схема и эффективность установки для комбинированной МИО.

4.2.1 Оценка эффективности магнитно-импульсной установки.

4.2.2 Требования к основным элементам установки.

4.3 Методика расчета инструмента.

4.4 Рекомендации по конструктивному исполнению индуктора с концентратором магнитного поля.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение стойкости режущего инструмента путем комбинированной магнитно-импульсной обработки»

Непрерывное развитие производства машин предъявляет новые, более высокие требования к технологии машиностроения вообще и методам изготовления деталей в частности. В развитии отрасли технологии машиностроения совершенствование и создание новых методов обработки является одной из важнейших задач, без успешного решения которой немыслимо и совершенствование отрасли в целом. С точки зрения эффективности производства совершенствование и создание новых методов обработки в сравнении с другими направлениями развитая отрасли дает наиболее высокий экономический эффект. В частности, он в 3 - 4 раза выше, чем эффект от реализации разработок в области автоматизации. По степени влияния на уровень производства новые методы обработки и технологии вызывают наиболее радикальные изменения, приводя к его революционным преобразованиям.

Одним из перспективных направлений является применение новых наукоемких технологий на основе физико-химического модифицирования поверхностных слоев деталей и инструментов, направленных на повышение твердости и износостойкости. Значительная часть из них это методы обработки с применением концентрированных потоков энергий, которые в настоящее время распространены недостаточно широко (электронное, лазерное и магнитное упрочнение) [1.6]. 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.

Магнитное упрочнение на основе метода магнитно-импульсной обработки (МИО) обладает рядом преимуществ по сравнению с методами на основе воздействия других видов энергий, в частности: низкая себестоимости обработки, сохранение геометрии обработанных деталей, отсутствие расходных материалов и дополнительных агрессивных сред, простота технологической оснастки и экологическая чистота. В связи с этим, актуальна проблема создания эффективного и гибкого метода поверхностного упрочнения на базе существующих методов МИО, а также разработки его ашгаратурно-технологического оформления. Применение с этой целью локализованного импульсного магнитного поля высокой напряженности в комбинации с предварительным индукционным нагревом значительно интенсифицирует процесс упрочнения, уменьшая время обработки, применяемые мощности и, следовательно, экономические затраты на его реализацию. Несомненные достоинства этого способа потребовали разработки физико-математической модели и экспериментального исследования, что позволит выявить оптимальные энергетические и технологические параметры обработки для достижения наилучших физико-механических свойств обработанного поверхностного слоя. [7. .11].

Целью исследования является повышение стойкости режущего инструмента путем применения магнитно-импульсной обработки с предварительным индукционным нагревом.

Задачами, соответственными поставленной цели, являлись:

- анализ существующих способов поверхностного упрочнения инструментальных сталей на основе МИО, выявление недостатков, ограничивающих их применение в промышленности;

- разработка математической модели процесса комбинированной МИО и установление технологических параметров обработки;

- экспериментальное исследование влияния температуры предварительного нагрева обрабатываемой детали и напряженности магнитного поля на эффективность процесса магнитно-импульсного упрочнения;

- разработка технологии комбинированной МИО.

Решение поставленных задач позволит создать эффективный метод поверхностного упрочнения сталей, что значительно увеличит стойкость различных и инструментов.

Первый раздел посвящен анализу существующих методов поверхностного упрочнения сталей; рассмотрению особенностей методов магнитной обработки и механизма магнитного упрочнения.

Втором разделе посвящен разработке физико-математической модели процесса МИО.

Третий раздел посвящен экспериментальным исследованиям, проводимым с целью выполнения следующих задач:

- доказательство преимущества комбинированного способа МИО, путем определения влияния температуры предварительного нагрева на микротвердость инструментальных сталей;

- определение влияния напряженности импульса магнитного поля на микротвердость инструментальных сталей и установление оптимальных величин управляющих параметров, позволяющих достичь максимальной эффективность упрочнения сталей;

- проверка адекватности математической модели процесса упрочнения и возможности ее применения для различных сталей;

- определение увеличения износостойкости обработанных инструментов по сравнению с необработанными.

В четвертом разделе обоснован выбор структурной схемы оборудования для комбинированной МИО и предложена методика инженерного расчета установок для обработки деталей с различными формами поверхностей исходя из условий наибольшей эффективности и произ вод ител ьности обработки.

В заключении перечислены основные результаты работы.

Данная работа выполнена с использованием лабораторной базы Бий-ского технологического института, кафедры «Производственная безопасность и управление качеством».

Автор выражает огромную благодарность научному руководителю Овчаренко Александру Григорьевичу за полезные замечания и консультации, поддержку и помощь в работе.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Козлюк, Андрей Юрьевич

Выводы

1. Обоснован выбор структурной схемы комбинированной МИО.

2. Разработана методика расчета индукторов с концентраторами магнитного поля для комбинированной МИО деталей с различными формами поверхностей (плоскость, цилиндр, конус).

3. Даны рекомендации по конструктивному исполнению индуктора, а также представлены требования к основным узлам установки для комбинированной МИО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В итоге проведения исследовательской работы получены следующие результаты:

1. Усовершенствован существующий метод МИО, включающий предварительный индукционный нагрев обрабатываемого инструмента и использование индуктора с концентратором магнитного поля, что позволило увеличить стойкость режущего инструмента в 1,4 -2,0 раза.

2. Предложена математическая модель процесса комбинированной МИО, позволяющая определять оптимальные напряженности магнитного поля для различных инструментальных сталей в зависимости от физических свойств сталей и частоты разрядного тока.

3. Экспериментальные исследования влияния напряженности импульса магнитного поля и температуры предварительного нагрева на микротвердость поверхностного слоя инструментальных сталей подтвердили предложенную математическую модель процесса МИО. Для исследованных сталей предложена оптимальная температура предварительного нагрева, равная 500 °С.

4. Разработана инженерная методика расчета инструмента для комбинированной МИО, позволяющая определять геометрические параметры индуктора с концентратором магнитного поля и энергетические параметры основных узлов оборудования для обработки режущего инструмента из различных инструментальных сталей и с различными формами обрабатываемой поверхности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Козлюк, Андрей Юрьевич, 2007 год

1. Бровер, A.B. Проявление эффектов локальной пластической деформации в поверхностных слоях стали при обработке концентрированными потоками энергии // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. -№7(19).-С.27-31.

2. Рыкалин, H.H. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов / H.H. Рыкалин, A.A. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. М: Машиностроение, 1988. - 484 с.

3. Углов, A.A. Воздействие концентрированных потоков энергии на материалы // Материаловедение. -1997. № 5. - С. 3-7.

4. Баранка, В.Н. О структурных эффектах в зоне обработки материалов концентрированными потоками энергии / В.Н. Баранка, Ю.М. Дом-бровский, A.B. Шабаринов // Вестн. ДГТУ. 2003. - Т. 3. № 4 (18). - С. 445-451.

5. Малыгин, Б.В. Повышение стойкости инструмента и оснастки магнитной обработкой // Металлург. -1987. №10. С. 46-47.

6. Овчаренко, А.Г. Повышение износостойкости деталей комбинированной магнитно-импульсной обработкой / А.Г. Овчаренко, А.Ю. Козлюк // Обработка металлов. 2006. - №2. - С.24-26.

7. Козлюк, АЛО. Конкурентоспособность магнитно-импульсной обработки в машиностроении / А.Ю. Козлюк, А.Г. Овчаренко // Управление качеством образования, продукции и окружающей среды: матер. Всероссийской науч. практ. конф.- Бийск: АлтГТУ, 2006. - С.208-211.

8. Есин, А.П. Магнитно-импульсная обработка металлов / А.П. Есин, В.И. Пашкович // НИИМАШ. 1975. - Вып.14 (108) - С.42-49.

9. Овчаренко, А.Г. Комбинированная магнитно-импульсная обработка режущего инструмента / А.Г. Овчаренко, А.Ю. Козлюк // Обработка металлов. 2004. - №2. - С.8-9.

10. Современные технологические системы в машиностроении: сборник тезисов докладов межд. школы-конференции Барнаул: АлтГТУ. -2005.-С. 105-107.

11. Лоладзе, Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента / Т.Н. Лоладзе. -М.: Машиностроение. -1982. 320с.

12. Брюхов, В.В. Повышение стойкости инструмента методом ионной имплантации. Томск: Изд-во HTJI. - 2003. -120 с.

13. Когаев, В.П. Прочность и износостойкость деталей машин: Учеб. Пособие для машиностр. спец. вузов. / В.П. Когаев, Ю.Н. Дроздов М.: Высш. школа. -1991. - 319 е.: ил.

14. Заковоротный, В Л. Моделирование процесса изнашивания инструмента с помощью интегральных операторов / B.JI. Заковоротный, А.Д. Лукьянов, Д.А. Волошин, М.Б. Флек // СТИН. 2004 - №3 - С.9-14.

15. Лоладзе, Т.Н. Износ режущего инструмента / Т.Н. Лоладзе М.: Маш-гиз.-1958.-365с.

16. Леонов, A.A. Энергодинамический механизм изнашивания контактирующих пар // Станки и инструмент. -1989. №9. - С.45.

17. Сорокин, Г.М. Статистическое исследование взаимосвязи механических и триботехнических свойств сталей / Г.М. Сорокин, Б.П. Сафонов // Вестник машиностроения. 1997. - №8. - С.З.

18. Леонов, A.A. Влияние твердости материалов на изнашивание / A.A. Леонов, С.А. Леонов // Вестник машиностроения. 1991. - №9. - С. 11.

19. ГОСТ 2999-75 Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Вик-керсу.

20. Полевой, CJH. Упрочнение металлов: Справочник / С.Н. Полевой, В.Д. Евдокимов М.: Машиностроение. -1986. - 320 е., ил.

21. Футорянский, Ю.В. Эффективные методы упрочнения стальных изделий. Куйбышев, кн. изд-во. - 1978. - 88с.

22. Николаев, E.H. Термическая обработка металлов токами высокой частоты / E.H. Николаев, И.М. Коротан М.: Высш. школа. -1977.

23. Бернпггейи, М. Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. Т. 2. М.: Металлургия. -1968. -1171 е., ил.

24. Григорьянц, АЛ. Основы лазерного термоупрочнения сплавов / А.Н. Григорьянц, А.Н. Сафонов М.: Высшая школа. -1988. - 297 с.

25. Малыгин, Б.В. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин. М.: Машиностроение -1989. -112 е., ил.

26. Барон, Ю.М. Магнитно-абразивная и магнитная обработки изделий и режущих инструментов Л.: Машиностроение. -1986. -172 с.

27. Бернштейн, МЛ. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле / M.JI. Бернштейн, В.Н. Пустовой М.: Машиностроение. -1987.-256 с.

28. Бороухин, Ю.А. О стойкостных зависимостях сверл, подвергнутых магнитной обработке // Труды Горьковского политехнического института. Вып. 39. -1977. - С 36-39.

29. Гаркунов, Д.Н. О природе повышения износостойкости деталей и инструмента магнитной обработкой / Д.Н. Гаркунов, Г.И. Сураинов, Г.Б. Коптяева // Трение и износ. -1982. №2. - С 496 - 498.

30. Галей, М.Т. Изучение влияния магнитного поля на стойкость быстрорежущего инструмента / М.Т. Галей, B.C. Ашехнин // Станки и инструмент. -1981. -№ 6. С. 31-34.

31. Макаров, АД. Некоторые вопросы влияния магнитного поля на стой-костные характеристики режущего инструмента // Труды Уфимского политехнического института. Вып. 77. -1975. - С. 176-178.

32. Винтер, Э.К. Магнитный резонанс в металлах. М.: Мир. - 1976. -486 с.

33. Патент 2244023 Российская Федерация, МПК7 С21 D 1/04, 9/22.

34. Способ повышения износостойкости металлорежущего инструмента из инструментальных сталей путем магнитно-импульсной обработки с предварительным нагревом и установка для его осуществления / А.Г. Овчаренко, С. А. Ольховой. Опубл. 10.01.05.

35. Артоболевский, И.И. Политехнический словарь. М.: Советская Энциклопедия. -1976. - 608 е., ил.

36. Преображенский, А.А. Теория магнетизма, магнитные материалы и элементы. Учебник для специальности «Полупроводники и диэлектрики» вузов. М.: Высш. школа. -1972. - 288 е., ил.

37. Полетаев, В.А. Курс лекций- http://www.ispu.ru/librarv/lessons/poletaev/

38. Бабичев, А.П. Справочник инженера-технолога в машиностроении / А.П. Бабичев и др. Ростов н/Д.: Феникс. - 2005. - 541. е., ил.

39. Кнопфель, Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир. -1972.

40. Нестерин, В.А. Оборудование для импульсного намагничивания и контроля постоянных магнитов. М.: Энергоатомиздат. - 1986. - 88 с.

41. Малыгин, Б.В. Магнитное упрочнение рессор и пружин / Б.В. Малыгин, С.А.Тихонов, С.А. Меньдельсон // Металлург. 1987. - № 10. -С 46-47.

42. Малыгин, Б.В. Магнитно-импульсное упрочнение деталей машин и инструментов / Б.В. Малыгин, И.А.Семенникова //Станки и инструмент. -1989. № 4. - С. 13-16.

43. Бузыкин, В.Н. Ударная вязкость и структурные изменения в быстрорежущей стали после ОИМП / В.Н. Бузыкин, Н.А. Бутылкина, А.Е. Лукьянов // магнитные и другие нетрадиционные технологии. Ботев-град.-1989. -С. 218-223.

44. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидоркин, Г.Ф. Косолапое и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение. -1986. - 384 е., ил.

45. Фридель, Ж. Дислокации. М.: Мир. -1967. - 643 с.

46. Колбасников, Н.Г. Физические основы прочности и пластичности металлов: Учеб пособие. СП.: издательство СПбГПУ. - 2004. - 92 е., ил.

47. Никитенко, В.И. Подвижность дислокаций в потенциальном рельефе Пайерлса. // Динамика дислокаций. Киев.: Наукова думка. - 1975. -С. 7-26.

48. Ерофеева, СЛ. Подвижность дислокаций в кристаллах / С.А. Ерофеева, Ю.А. Осиньян // Динамика дислокаций. Киев.: Наукова думка. -1975.- С. 26-30.

49. Китель, Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука. - 1978. -790 с.

50. Хирт, Дж. Теория дислокаций / Дж. Хирт, И. Лоте. М.: Атомиздат. 1972.-599 с.

51. Фрид ель, Ж. Дислокации. М.: Мир. - 1967. - 623 с.

52. Свойства элементов: Справочник / Под ред. Самсонова. М.: Металлургия. -1967. - 599 с.

53. ГОСТ 14959-79 Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. Технические условия.

54. Осипьян, Ю.Я. Дислокационная физика твердого тела / Ю.Я. Осипьян,1. B.И. Никитенко. М. -1985.

55. Аргон, А.С. Физика прочности и пластичности. М.: Металлургия. -1972.-С. 186-214.

56. Никитенко, В.И. Подвижность дислокаций в потенциальном рельефе Пайерлса. // Динамика дислокаций. Киев.: Наукова думка. - 1975.1. C. 7-26.

57. Котрелля, Л.Х. Дислокации и пластическое течение в кристаллах. -М.: Металлургиздат. -1958. 267 с.

58. Кошин, Н.И. Справочник по элементарной физике / Н.И. Кошин, М.Г. Ширкевич 10-е изд., испр. и доп. - М.: Наука. - 1988. - 256 е., ил.

59. Металловедение и термическая обработка металлов. Учебник для вузов. 3-е изд. М.: Металлургия. -1984. 360 с.

60. Панин, В.В. Измерение импульсных магнитных и электрических полей / В.В. Панин, Б.М. Степанов М.: Энергоатомиздат. - 1987. - 120 е., ил.

61. Мязии, В.П. Бесконтактное измерение сильных импульсных токов /

62. B.IL Мязин, В.В. Панин, В.В. Паршин // Электронная измерительная техника. М.: Атомиздат. - 1978. - Вып. 1.

63. Гулый, Г.А. Высоковольтный электрический разряд в силовых импульсных системах / Г. А. Гулый, П. П. Малюшевский. Под редакцией Г. А. Гулого. Киев: Наук, думка. -1977.

64. Аленнн^С.В. Анализ метрологических характеристик индукционных электрометрических преобразователей / C.B. Аленин, В.В. Панин, В.В. Паршин. М.: Энергоатомиздат. -1983.

65. Богомолова, Н.А. Практическая металлография. М.: Высш. школа. -1987.-240 с.

66. Черток, Б.Ё. Лабораторные работы по технологии металлов. М.: Машиностроение. -1969. - 208 с.

67. Мальцев, П.М. Основы научных исследований / П.М. Мальцев, Н.А. Емельянов Киев: Вища школа. Головное изд-во. -1982. -192 с.

68. Андриевский, Е.А. Измерение параметров постоянных магнитов. -Киев: Техника. -1977. -152 с.

69. Бочка рев, О.В. О намагничивании постоянных магнитов от импульсных конденсаторных установок // Электротехника. 1971. - №6. -С.52-53.

70. Кучинский, Г.С. Высоковольтные импульсные конденсаторы. JL: Энергия. -1973. -176 с.

71. Белый, ELB. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов / И.В. Белый, С.М. Фертик, JI.T. Хименко. Харьков.: Вища школа. -1977.-168 с.

72. Степанов, В.Г. Высокоэнергитические импульсные методы обработки металлов / В.Г. Степанов, И.А. Шавров. Л.: Машиностроение. -1975. -278 с.

73. Постников, С.Н. Влияние импульсных полей на усталость быстрорежущей стали / С.Н. Постников, A.A. Черников // Электронная обработка материалов. -1981. №4. - С. 65-68.

74. Способы испытания металлов и сплавов. Справочник / Под ред. А.И. Власова. М. Машиностроение. - 1983. - 320 с.

75. Методика измерения микротвердости

76. Метод измерения микротвердости на приборе ПМТ-3 основан на измерении линейной величины диагонали отпечатка, получаемого от вдавливания алмазной пирамиды в исследуемый материал с определенной нагрузкой.

77. В первую очередь, для получения отпечатка и его измерения, проверяется чувствительность нагружающего механизма, и регулируется в случае ее нарушения.

78. Далее производится проверка (определение) масштаба увеличения.

79. Перед началом работ на приборе необходимо проверить его центровку. Микротвердомер должен быть отцентрирован так, чтобы отпечаток, получаемый от вдавливания алмазной пирамиды, располагался приблизительно в центре поля зрения.

80. Выполнение работ по измерению микротвердости на приборе ПМТ-3 организуется следующим образом:

81. Контролируемый образец закрепляется на планке предметного столика таким образом, чтобы измеряемая поверхность располагалась параллельно рабочей плоскости столика.

82. На утолщенную часть штока нагружающего механизма помещается груз (для проведения измерения использовался груз массой 100 г.).

83. При крайнем правом положении столика выбирается место на объекте.

84. Предметный столик поворачивают против часовой стрелки до упора, избегая толчков при подведении его к упору.

85. Медленным поворотом рукоятки арретира против часовой стрелки опускают шток до касания алмазом поверхности исследуемого образца, и после выдержки (5 сек.) рукоятку возвращают в исходное положение.

86. Предметный столик поворачивают в прежнее положение до упора.

87. При помощи окулярного микрометра измеряют диагональ отпечатка.

88. Рисунок 1 Изображение измерения диагонали отпечатка

89. Производят отсчет по измерительному барабану окуляр-микрометра. Разница отсчетов, деленная на коэффициент масштаба, дает измеренную величину диагонали отпечатка.

90. Значение твердости определяют по графику, в зависимости от величины диагонали отпечатка.