УКРАИНСКИЙ

АНГЛИЙСКИЙ

Бугаёв Руслан Андреевич Факультет инженерной механики и машиностроения Кафедра металлорежущих станков и инструментов Специальность: Металлорежущие станки и системы

Тема выпускной работы:

      Модернизировать горизонтально-фрезерный станок для осуществления магнито-абразивной обработки многогранных неперетачиваемых твёрдосплавных пластин

Материалы по теме выпускной работы:

  1 Введение
  2 Актуальность
  3 Цели и задачи работы
  4 Обзор существующих конструкций устройств для МАО
  5 Конструкторская часть
  6 Теоретическая часть
  7 Практическая часть
  8 Заключительная часть
  Список литературы

      Магнитно-абразивная обработка (МАО) – абразивная обработка, осуществляемая при движении заготовки и абразивных зерен относительно друг друга в магнитном поле. Сущность магнитно-абразивной обработки заключается в том, что порошковая ферромагнитная абразивная масса, уплотненная энергией магнитного поля, осуществляет абразивное воздействие на обрабатываемую деталь.Магнитно-абразивным способом можно успешно обрабатывать поверхности: цилиндрические наружные и внутренние, плоские, тел вращения с криволинейной образующей, винтовые и др. Наиболее распространенной областью применения магнитно-абразивной обработки является снижение шероховатости на обрабатываемых поверхностях с одновременным повышением качественных характеристик поверхностного слоя [1].

      Для выполнения магистерской работы мною были проанализированы известные конструкции устройств для магнитно-абразивной обработки (МАО) концевого инструмента в магнитном поле. Вследствии чего я выявил, что устройств для МАО обладают либо узкими технологическими возможностями, либо сложностью конструкции в связи с большим количеством кинематических цепей.

      Исходя из выше сказанного, в своей работе я хотел бы разработать устройство для осуществления магнито-абразивной обработки многогранных неперетачиваемых твёрдосплавных пластин на базе горизонтально-фрезерного станока.

      Повышение точности и качества поверхностей деталей машин и инструментов является одной из приоритетных задач машиностроения. Для достижения этих целей в настоящее время широкое применение получил метод МАО, который является одним из новых перспективных способов обработки и разрешает на разнообразных по физико-механическим свойствам материалов (сталях, твердых сплавах, цветных металлах и сплавах, стекле и других неметаллах) получать низкие параметры шероховатости поверхности. Роль режущего инструмента при МАО выполняют магнитно-абразивные порошки, которые вла-деют одновременно высокими магнитными и режущими свойствами.

      Метод МАО обеспечивает получение параметров шероховатости Ra 0,01-1 мкм, снижение волнистости и гранности. При этом повышается контактная прочность и износостойкость деталей, увеличивается опорная длина профиля. Способ обладает возможностью обрабатывать как мягкие и вязкие, так и неметаллические материалы. Изучение данного метода посвящено большое количество работ, выполненных в бывшем СССР и за рубежом. Исследования были направлены как на разработку новых способов, так и устройств их реализации, изучение технологических возможностей процесса, и явлений сопровождающих данный процесс [5, 6].

      Поэтому данная тема магистерской работы является актуальной так, как МАО является одним из современных методов обработки, обеспечивающих высокое качество обработанной поверхности.

      Целью данной работы является разработка конструкции устройства для осуществления магнитно-абразивной обработки многогранных неперетачиваемых пластин (МНП) в магнитой ванне реализуемая на горизонтально-фрезерном станке.

      Основной задачей данной работы является модернизация горизонтально-фрезерного станка для магнитно-абразивной обработки в магнитной кольцевой системе.

      Известна установка для МАО режущего инструмента [2]. Обработка деталей производится за счет создания условий, при которых осуществляется относительно равномерное обтекание обрабатываемых поверхностей магнитно-абразивным порошком в магнитном поле, достигающее путем задания определенной траектории движения деталей и их расположение в магнитном поле, учитывающий данные о магнитно-реологических характеристиках магнитно-абразивных порошковых материалов.
      Обрабатываемую деталь вращают вокруг собственной оси, перемещают вокруг оси кольцевой ванны, образованной полюсными наконечниками ограниченной высоты и реверсивно перемещают вдоль оси кольцевой ванны.
      Известно, что при МАО деталей в условиях кольцевого магнитного зазора, деталь перемещается в среде магнитно-абразивного порошка, удерживаемого силами магнитного поля формирует перед собой уплотненную зону с долей ферроабразивного порошка, представляющего собой веерообразное формирование. Образование подобной уплотненной зоны, ее размеры и характер поведения в процессе МАО прежде обусловлены:
            -магнитно-реологическими свойствами магнитно-абразивных порошков, а именно геометрическими размерами и формой частиц, коэффициентами трения в парах порошок-порошок и порошок - обрабатываемая деталь, углом трения магнито-абразивного инструмента (МАИ), магнитными свойствами;
            -геометрическими размерами рабочих зон магнитных зазоров;
            -особенностями перемещения обрабатываемых заготовок в процессе МАО.
      Для получения эффективной обработки по всей рабочей поверхности деталей, включая и поверхность канавок необходимо оптимальное соотношение между двумя связанными друг с другом параметрами МАО:
            -давлением магнитно-абразивного порошка, сформированного силами магнитного поля в МАИ на обрабатываемую поверхность;
            -скоростью частиц МАИ по обрабатываемых поверхностей.
      Простое увеличение сил магнитного поля в рабочих зонах магнитных зазоров, обеспечивающих прижим частиц МАИ к обрабатываемым поверхностям и формирование максимально "твердого" МАИ, снижает способность МАИ обтекать поверхности обрабатываемой детали и неприемлемо при МАО канавок. Увеличение скорости движения деталей, приводит к увеличению динамического давления частиц МАИ на обрабатываемую поверхность, однако это одновременно приводит к появлению уплотненных зон.
      Реализация первого пути приемлема для обработки наружных поверхностей деталей простой формы - тел вращения, плоскостей, когда возможно использование магнитных зазоров малой ширины. При обработке деталей сложной пространственной конфигурации часто необходимо использование магнитных зазоров большой ширины, достижения в которые высокой величины магнитной индукции сопряжено с рядом технических трудностей и больших энергозатрат. Кроме этого, в процессе обработки деталей с продольными или винтовыми пазами происходит заполнение их объема порошком, который, прижимаясь к поверхности канавок, создает теневые зоны, оставаясь при обработке практически в неподвижном состоянии.
      Реализация второго пути - "динамического" прижима ограничено магнитно-реологическими характеристиками МАИ, когда для относительного перемещения частиц МАИ по поверхности необходимо соблюдение условий, при которых будет осуществляться стойкое взаимодействие порций порошка, находящихся в области канавок, с основным объемом МАИ, что приводит к его движению относительно обрабатываемых поверхностей за счет магнитно-реологических сил. То есть необходимо соблюдение условий достижения критических движущих напряжений в массе сформированного МАИ. Достижение поставленных требований при реализации этого пути тесно связано с обеспечением второго условия, необходимого для достижения эффективной обработки магнитно-абразивным методом.
      Получения необходимой относительной скорости движения частиц МАИ по обрабатываемых поверхностях детали, особенно по поверхности канавок возможно в том случае, когда угол наклона поверхности канавок относительно направления основного движения обработки (вращение вокруг оси кольцевой ванны) будет отвечать углу трения для МАИ. Реализовать это можно за счет наклона деталей, а значит и обрабатываемых поверхностей относительно направления основного движения. При этом не требуется использование больших значений магнитной индукции в рабочих зонах магнитных зазоров.

      На рисунке 1 приведено устройство, реализующее способ магнитно-абразивной объемной обработки. Оно состоит из головки 1, установленной на шпинделе 2 на подшипниках 3. На одном конце шпинделя установлен шкив 4, через ременную передачу 5 соединяющий шпиндель 2 с двигателем 6. Вместо ременной передачи может быть использован любой редукционный или мультипликационный передаточный механизм. На другом конце шпинделя 2 на подшипниках 7 установленно центральное коническое колесо 8, через муфту 9 соединенное с валом 10. Вал 10 через подвижное шлицевое или шпоночное соединение соеденяется с телескопическим валом 11, который установлен в центральном магнитопроводе 13 магнитной системы. Вал 11 соединен с двигателем 14 ременной передачей 15. Как вариант, привод центрального конического колеса 8 может осуществляться через вал 10, расположенный в пустотелого шпинделе 2. В головке 1 установлена коническая зубчатая передача, находящейся в зацеплении с коническим зубчатым колесом 8. Она состоит из шестерен 16 и 17 и вала 18. Соосно валу 18 в расточке головки 1 установлена головка 19. В ней на подшипниках установлен вал 20 с коническим колесом 21, находящейся в зацеплении с колесом 17. С нижним концом вала 20 с помощью муфты 22 соединен вал 23 угловой головки 24 (рис.2) с коническим колесом 25 на другом конце. Колесо 25 находится в зацеплении с колесом 26 посаженное на шпиндель 27. Выходной конец шпинделя через муфту Гука 28 соединен с зажимным механизмом для зажима обрабатываемой детали 29. В этом случае использован цанговый зажимной механизм 30. На корпусе угловой головки установлен колебательный привод 31, что с помощью рычага 32, шарнира 33, шатуна 34 и подшипника 35 соединяется с зажимным механизмом 30.

      Магнитная система устройства состоит из центрального магнитопровода 13, жестко закрепленный в нижней 36 и верхней 37 плитах с диамагнитными материала. К центральному магнитопровода с помощью скоб 38 и шпилек 39 прижаты боковые магнитопроводы 40. На них надеты катушки 41. На боковых магнитопровода 40, в верхней части закреплены внешние полюсные наконечники 42. В верхней части на центральный магнитопровода 13 установлен центральный полюсный наконечник 43, выполненный в виде диска, радиальная внешняя поверхность которого и обращенные к ней боковые поверхности наружных полюсных наконечников 42 формируют между собой эквидистантний зазор, образующий кольцевую ванну. На верхнюю плиту 37 опирается поддон 44. Магнитная система установлена на столе 45. Стол 45 установлен на вертикальной направляющей 46 станины 47.
      Способ магнитно-абразивной объемной обработки конечного режущего инструмента заключается в следующем:
      Магнитный зазор станка, имеющий форму кольцевой ванны, заполняется магнитно-абразивным порошком, удерживающийся в рабочей зоне магнитным полем, создаваемым постоянным током, поданным на катушки 41 электромагнитов. Обрабатываемый инструмент 29 зажимается в цангового зажимном механизме 30. Головки 19 вращаются вокруг своей оси, противоположном направлению главного движения (вращение вокруг оси кольцевой ванны). Устройство с деталями располагают в таком положении, при котором детали находятся у входа в рабочую зону магнитных зазоров. Индукцию в магнитных зазорах поднимают до величины равной оптимальной величине для МАО материала инструмента в условиях кольцевой магнитной системы с соответствующей величиной магнитного зазора. Включается двигатель привода головки 1 и двигатель 14 привода центрального конического колеса 8. Стол 45 вместе с магнитной системой с помощью привода вертикального перемещения плавно поднимается вверх до частичного или полного погружения обрабатываемой поверхности инструмента 29 в вертикальную ванну магнитной системы, заполненную магнитно-абразивным порошком (рис.3).

      Шестерня 6 обкатывается по колесу 8, получает дополнительное вращение от двигателя 14 через привод 15, вал 11 и муфту 9. Через пары шестерен 17 и 21, 25 и 26 суммарное вращение передается на шпиндель 27. Кроме того, инструмент 29 сообщается колебательное движение приводом 31, направленное по радиусу кольцевой ванны. Направление и частота вращения инструмента 29 вокруг своей оси, а также частота и амплитуда его колебательного движения по радиусу кольцевой ванны зависят от типа инструмента, его конструкции, обрабатываемых поверхностей, материала из которого он изготовлен, типа используемого магнитно-абразивного порошка.
      Недостатками этой установки являются: узкие технологические возможности, связанные с невозможностью угла атаки в пределах 5-30 ° при обработке твердосплавных неперетачиваемых пластин, а также сложность конструкции из-за наличия дополнительного прибора, который проходит через магнитную систему.

      Известна универсальная головка для МАО [3], суть которой объясняется принципиальной схемой и механизмом отбора мощности.
      Универсальная головка (рис.4) состоит из пяти модулей: приводного 1, раздаточного 2, углового 3, промежуточного 4 и шпиндельного 5. Приводной модуль 1 крепится в шпинделе станка, например фрезерного, по инструментальному конусу на оправке 6, или на шпинделе могут быть выполнены соответствующие посадочные поверхности для установки узлов и деталей головки.

      Механизм отбора мощности (рис.5) состоит из недвижно расположеной шпиндельной бабки станка и центрального цилиндрического колеса 8, установленного на оправке 6 на подшипниках, и паразитных шестерен 9 и 9', установленных на поворотной относительно оправки 6 плите 10 и соединенных с одной стороны с центральным цилиндрическим колесом 8, а с другой стороны с гитарой сменных колес 11, 12 и 13.

      Неподвижно соединеный с приводным модулем 1 (рис.4), раздаточный модуль 2, содержит равномерно расположены по кругу, последовательно соединенные угловые модули 3, передающие 4 и шпиндельные 5, которые могут вращаться относительно друг друга и относительно раздаточного модуля, и предназначены для предоставления заготовке правильного пространственного положения.
      Кинематический цепь, соединяющая гитару сменных колес 11, 12, 13 с рабочими шпинделями 14 шпиндельного модуля 5, состоит из стакана 15, расположенного внизу оправки 6, соединенной с валом 16 раздаточного модуля 2, например, торцевым шлицем или радиальным шлицем, вала 16 с закрепленным на нем центральным коническим колесом 17, соединенным с коническим колесом-сателлитом 18, которое закреплено на радиально расположенном валу 19, муфте 20, конической передаче 21-22, муфте 23, конических передач 24-25, 26 -27. На рабочих шпинделях закрепляются зажимные устройства с заготовками (на схеме не показаны). Конструктивно узел для передачи крутящего момента от зубчатого колеса 13 до вала 16 с конической колеса 17 может быть выполнен в виде вала с опорами, установленными в розточке в нижнем торце оправки 6 и муфты (или торцевого шлица). Зубчатые колеса 11, 12 и 13 составляют гитару сменных колес. В первую очередь для изменения передаточного числа кинематической цепи от центрального колеса 8 до рабочего шпинделя 14 используется зубчатое колесо 11, как наиболее доступное, и во вторую очередь пара колес 12 и 13. Дополнительное паразитное колесо 9' переставляемое в позицию, на рис.5 показана пунктиром. При этом оно зацепляется с центральным цилиндрическим колесом 8 и колесом 11, а основное паразитное колесо 9 снимается с головки.
      Универсальная головка для МАО работает следующим образом. В начальном положении (универсальная головка поднята над кольцевой ванной магнитной системы) происходит установка заготовок в зажимных устройствах и предания им правильного пространственного положения путем вращения угловых 3, передающих 4 и шпиндельные 5 модулей относительно друг друга и относительно раздаточного модуля 2. При опускании вниз шпиндельного узла станка-носителя, заготовки погружаются в кольцевую ванну магнитной системы, предварительно наполненную магнитно-абразивным порошком.
      После погружения заготовок на необходимую глубину, которая определяется высотой полюсных наконечников магнитной системы (на схеме не показана), универсальной головке предоставляется вращательное движение и, таким образом, заготовки вращаются в кольцевой ванне вокруг ее оси (главный рабочее движение).
      При вращении универсальной головки и, как следствие, приводного модуля 1, паразитные колеса 9 и 9 'вращаются вокруг неподвижного колеса 8, получая таким образом вращательное движение, и передают его на колесо 11 гитары сменных колес. Через колеса 11, 12 гитары сменных колес, стакан 15 и вал 16 приводится в движение центральное коническое колесо 17. Далее из центрального конического колеса 17 движение передается на конические колеса 18 и далее через муфты 20, конические передачи 21-22, муфты 23, конические передачи 24-25, 26-27 на рабочие шпиндели 14, где закреплены зажимные устройства с заготовками (на схеме не показаны). Есть заготовки получают вращательное движение вокруг своей оси (вспомогательный движение), необходимый для равномерной обработки конечных и осевых инструментов. При этом с помощью подбора колес гитары сменных колес может быть выполнено строгое согласование скоростей вращательных движений самой головки и рабочих шпинделей 14, то есть главного движения и движения деления.
      После окончания обработки вращательное движение прекращается и универсальная головка поднимается в исходное положение.
      Для обработки инструментов с левосторонней спиралью канавки для стружки, для изменения направления вращения рабочих шпинделей при неизменном направлении вращения головки, основное паразитную колесо 9 удаляется из головки, а дополнительное паразитную колесо 9 'вводится в зацепление с центральных цилиндрическим колесом 8 и колесом 11 гитары сменных колес.
      Недостатком конструкции является сложность налаживания гитары сменных колес, а также низкая надежность в связи с большим количеством кинематических цепей.

       Известна головка для МАО твердосплавных неперетачиваемых пластин [4], которая состоит из приводного модуля с механизмом отбора мощности, состоящего из неподвижного центрального цилиндрического колеса, установленного на оправке на подшипниках, и паразитного зубчатого колеса, установленного на поворотной относительно оправки плите и соединенного с одной стороны с центральным цилиндрическим колесом и, с другой стороны, с гитарой сменных колес приводного модуля и центральным коническим колесом, установленным в приводном модуле раздаточного модуля, установленного на нижнем торце приводного модуля, и который имеет радиально расположенные на подшипниковых опорах валы, на входном конце которых закреплены конические колеса, которые находятся в зацеплени с центральным коническим колесом приводного модуля шпиндельных блоков, которые равномерно расположены по окружности на периферии раздаточного модуля. Шпиндельные блоки состоят из последовательно соединенных между собой, с возможностью углового перемещения относительно друг друга углового, промежуточного и шпиндельного модулей с рабочими шпинделями, при этом выходной конец каждого вала раздаточного модуля соединен с рабочим шпинделем кинематической цепи передач и межмодульным соединением промежуточного и шпиндельного модулей являются взаимозаменяемыми.
      Недостатком конструкции этой головки является сложность налаживания гитары сменных колес, а также низкая надежность в связи с большим количеством кинематических цепей.

      Данная часть работы реализуется путем решения следующих задач:
            1. Модернизация горизонтально-фрезерного станока для магнитно-абразивной обработки многогранных неперетачиваемых пластин
            2. Разработать рабочие чертежи узлов модернизации.

    Поставленная задача решается за счет того, что в конструкции головки для МАО, которая содержит приводной и шпиндельный модули, приводной модуль жестко закреплен на шпинделе. На поверхности приводного модуля закреплены шпиндельные модули, в которых расположенный шпиндель, на одном конце которого размещенные обрабатываемые многогранные пластины, а на втором - колесо, которое своей рабочей поверхностью контактирует с рабочей поверхностью стакана, неподвижно закрепленного на конце пиноли шпиндельного узла станка. Головка для МАО состоит из приводного модуля, который представляет собой диск, жестко закрепленный на шпинделе. На торцевой поверхности приводного диска равномерно по кругу расположенны шпиндельные головки, в которых расположенные шпинделя на одном конце которых размещены обрабатываемые многогранные пластины, на втором – зубчатое колесо. Колесо своей рабочей поверхностью кон-тактирует с рабочей поверхностью стакана, который неподвижно закреплен. Стакан имеет ступенчато расположенные рабочие поверхности с которыми может контактировать зубчатое колесо соответствующего диаметра. Для образования угла атаки шпиндель имеет возможность вращаться на необходимый угол за счет выполнения шпинделя с двух частей, соединенных с помощью гибкого вала (рис. 6).

      Данная часть работы реализуется путем решения следующих задач:
            1. Определить форму модели магнитно-абразивного порошка (МАП)
            2. Определить геометрические размеры модели
            3. Иследовать влияние магнитного поля на расстояние между моделями порошка

Описание хода эксперимента

    Практическая часть магистерской работы предполагает проведение эксперимента. Я и мой руководитель планируем следующую последовательность эксперимента:
        1) Произвести взвешивание МАП на аналитических весах.
        2) Произвести расчет геометрической модели МАП
        3) Произвести измерение расстояний между зернами МАП на микроскопе вне магнитного поля.
        4) Произвести измерение расстояний между зернами МАП на микроскопе в магнитном поле.
        5) Сравнить результаты измерений и сделать выводы.

Анимация

    Устройство для МАО работает следующим образом: включается привод главного движения станка, при этом движение передается через коническую передачу и ременную пердачу на шпиндель, на котором закреплен диск, который начинает вращаться и за счет контактирования рабочих поверхностей стакана с зубчатым колесом начинают вращаться шпинделя с закрепленными на них обрабатываемыми пластинами. Стол станка перемещается вверх до того как обрабатываемые пластины не погрузятся в кольцевую магнитную систему, заполненную абразивным порошком. После окончания обработки стол перемещается вниз, выключается привод станка и обработанные пластины заменяют на обрабатываемые.

Выводы

       В ходе выполнения магистерской работы разработана конструкция устройства для осуществления магнитно-абразивной обработки многогранных неперетачиваемых пластин в магнитной кольцевой системе реализуемая на горизонтально-фрезерном станке.

      В дальнейшем планируется произвести сериюэ кспериментов с магнитно-абразивным порошком (МАП). По результатам эксперимента определить форму модели, выполнить расчет и анализ математической модели МАП.

Литература

1. Википедия. Магнитно-абразивная обработка [Электронный ресурс] - http://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитно-абразивная_обработка
2. Патент України на винахід №25441А, МПК В24В 31/112, Бюл. №6, Опубл. 15.12.98.
3. Патент України на винахід №78782, МПК В24В 31/112, Опубл. 15.12.2006.
4. Магнитно-абразивная обработка неперетачиваемых твердосплавных пластин. / В.Н. Гейчук, B.C. Майборода, Н.В. Ульяненко. / Вестник НТТУ «КПИ». Машиностроение. - 2002г.; вып. 43, с. 118-121.
5. Научно-производственное предприятие «Полимаг» [Электронный ресурс] - http://www.polimag.icm.by/
6. Технология и оборудование для магнитно-абразивного полирования [Электронный ресурс] - http://technologiya.chat.ru/AboutRU/ProdRU/MAP/map.html
7. Скворчевский Н.Я., Федорович Э.Н., Ящерицин П.И. Эффективность магнитно-абразивной обработки. – Мн.: Навука і тэхніка, 1991. – 215 с.
8. Сакулевич Ф.Ю., Кожуро Л.М. Объемная магнитно-абразивная обработка.- Мн.: Наука и техника, 1978. - 168 с.
9. Сакулевич Ф.Ю. Основы магнитно-абразивной обработки.-Мн.: Наука и техника, 1981.- 328 с.
10. Барон Ю.М. Технология абразивной обработки в магнитном поле. – Л.: Машиностроение, 1975. –128 с.
11. Барон Ю.М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изделий и режущих инструментов. – Л.: Мшиностроение. 1989. –176 с.

      При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение декабрь 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.