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;
