|
|
Источник: http://web.iitd.ac.in/~suniljha/nanofinishing.pdf
Магнитно-абразивная обработка (МАО) является одним из нетрадиционных методов финишной обработки, который был разработан сравнительно недавно и характеризуется эффективностью и экономичностью, а также обеспечивает хорошее качество обработки внутренних и внешних поверхностей тел вращения, а также плоских поверхностей, изготовленных как из металлических так из неметаллических материалов. В качестве режущего инструмента, как правило, используется ферромагнитный абразивный порошок, состоящий из спеченных между собой ферромагнитных и абразивных частиц. Однако в некоторых случаях могут использоваться и однородно смешанные абразивные и ферромагнитные частицы. На рисунке 1 показан процесс МАО в котором обработка осуществляется благодаря воздействию магнитного поля в зазоре между поверхностью заготовки и вращающимся полюсом электромагнита. На том же рисунке укрупненно показана зона обработки, а также показаны силы резания, действующие на обрабатываемую поверхность и направленные на удаление припуска. Действие магнитного поля приводит к возникновению нормальной силы, которая способствует проникновению абразивного порошка вглубь обрабатываемой поверхности, в то время как вращение абразивной щетки (северный полюс, N) приводит к удалению материала в виде стружки.
Зерна магнитно-абразивного порошка взаимодействуют между собой и расположены между полюсами магнита вдоль силовых линий магнитного поля, создавая тем самым гибкую магнитно-абразивную щетку. Магнитное поле удерживает порошок в рабочем зазоре и выступает в роли связки, прижимающей порошок к обрабатываемой детали [1]. Данный способ позволяет обрабатывать также фасонные поверхности. Регулирование давления абразивного порошка в зоне обработки осуществляется изменением силы тока электромагнитных катушек. Поскольку величина силы резания, создаваемая магнитным полем, не велика, но регулируема, становится возможным получение зеркальной поверхности (достижимое значение параметра шероховатости Ra измеряется в нанометрах). При МАО получение зеркальной поверхности и снижение шероховатости осуществляется без изменения точности формы детали. Благодаря своим положительным качествам метод МАО получил широкий спектр применения. Финишная обработка, снятие заусенцев, а также скругление могут быть выполнены одновременно. Метод магнитно-абразивной обработки может быть использован для выполнения операций полирования и удаления оксидных пленок при высокой скорости вращения заготовок. Shinmura и др. [3] применили МАО для обработки внутренних поверхностей вакуумных ламп и колб.
На рисунке 2 показана обработка магнитно-абразивной струей внутренней поверхности полой цилиндрической заготовки. Согласно этой схеме, рабочая жидкость, смешанная с магнитно-абразивным порошком, перемещается внутри трубки с расположенными на ее наружной части магнитными полюсами [4]. Во время движения абразивной смеси происходит быстрая и качественная обработка внутренней поверхности заготовки.
На рисунке 3 представлена типичная схема МАО, согласно которой обрабатываемая заготовка расположена между двумя магнитными полюсами. Зазор между заготовкой и полюсами заполнен магнитно-абразивным порошком. Магнитно-абразивные зерна связаны между собой и полюсами магнита и расположены вдоль силовых линий магнитного поля, формируя тем самым гибкую 2 – 2,5 мм длиной абразивную щетку. Данная магнитно-абразивная щетка используется для финишной обработки поверхности заготовки. Магнитное поле удерживает порошок в рабочих зазорах и прижимает его к детали [5]. Заготовка (например керамический ролик подшипника) вращается между полюсами магнитов. Магнитным полюсам сообщается вибрационное осевое движение, благодаря чему темп полирования увеличивается и качество обрабатываемой поверхности повышается.
Эффективность обработки, интенсивность удаления припуска, а также качество обрабатываемой поверхности зависят от окружной скорости вращения заготовки, плотности магнитного потока, размера рабочего зазора, материала заготовки, типа и зернистости магнитно-абразивного порошка. Регулированием силы тока, поступающего на электромагнитные катушки, можно изменять давление магнитно-абразивного порошка на обрабатываемую поверхность.
Как уже отмечалось выше, благодаря небольшой величине магнитных сил, действующих на заготовку, становится реальным получение значения параметра шероховатости Ra порядка нескольких нанометров. Согласно результатам, описанным в [6], при магнитно-абразивной обработке роликов из нержавеющей стали, было получено значение шероховатости Ra 7,6 нм за 30 секунд обработки, при ее исходном значении – Ra 0,22 мкм.
Традиционные методы финишной обработки высокоточных линз, керамики и полупроводниковых пластин являются очень дорогими и трудоемкими. Основным препятствием в изготовлении высококачественных точных линз является, как правило, то, что они изготовлены из хрупких материалов, таких как стекло, которое может треснуть во время обработки. Даже одна микротрещина может существенно снизить качество объектива и сделать его абсолютно непригодным для дальнейшего использования.
Обработку линз можно разделить на два этапа: шлифование и отделочная обработка. С помощью шлифования осуществляется получение линзы нужного размера, а в процессе отделочной обработки удаляются трещины и другие мелкие дефекты поверхности. Обычно производители осуществляют шлифование линз вручную, что делает этот процесс достаточно трудоемким. Возможно, основным недостатком ручного шлифования и отделочной обработки является то, что эти процессы не автоматизированы. Для преодоления этих трудностей Центром Производства Оптики (Рочестер, штат Нью-Йорк) была разработана технология для автоматизации отделочной обработки линз, известная как магнитореологическая обработка (МРО) [7].
Процесс МРО опирается на уникальные «умные» жидкости, известные как магнитореологические (МР) жидкости. МР-жидкости – это суспензии микронных размеров намагниченных частиц, таких как карбонильное железо, диспергированные в немагнитных средах, таких как силиконовое масло, миниральные масла, вода. В отсутствие магнитного поля идеальные МР-жидкости находятся в состоянии покоя. С применением внешнего магнитного поля наблюдается феномен, называемый Магнитореологическим эффектом (рисунок 7). На рисунке 7а представлено случайное распределение частиц в отсутствии внешнего магнитного поля; на рисунке 7б под воздействием магнитного поля частицы намагничиваются и выстраиваются в цепочки. Частицы приобретают дипольные моменты, пропорциональные напряженности магнитного поля. И когда дипольное взаимодействие между частицами превышает значение показателя их тепловой энергии, частицы выравниваются в цепочки диполей, которые ориентированны по направлению действия магнитного поля [8]. На рисунке 7в показано положение, приобретаемое частицами, в следствии действия напряженности магнитного поля и напряжений сдвига γ.
Реологически, поведение МР-жидкости под действием магнитного поля описывается пластической моделью Бингмана [9]:
где τ – напряжения сдвига в жидкости, τ0 – напряжения сдвига, генерируемые действием магнитного поля; η – динамическая вязкость жидкости и γ' – интенсивность сдвига [s-1].
Динамическая вязкость в основном зависит от типа жидкости. Величина τ0 зависит от напряженности магнитного поля, Н. Силы, действующие в жидкости (например напряжения сдвига), возрастают с увеличением сил магнитного поля. Однако это увеличение не является линейным, так как частицы являются ферромагнитными и значение показателя намагниченности различных частиц может колебаться [10]. Давление, создаваемое МР-жидкостями на поверхности линзы, могут варьироваться в пределах 50 – 100 кПа, для создания такого давления напряженность магнитного поля должна изменяться в диапазоне 150 - 250 кA/м (~2-3 kOe) [11]. Максимальная напряженность магнитного поля ограничена значением магнитной проницаемости МР-жидкости.
Благодаря возможности управления реологическими свойствами путем изменения силы тока, МР-жидкости получили широкое распространение в различных отраслях промышленности. МР-жидкости используются в амортизаторах и различных демпфирующих устройствах, муфтах, тормозах, приводах, также данные жидкости применяются при обработке эндопротезов [12]. Параметры обработки могут регулироваться путем изменения силы и направления магнитного поля, действующего на жидкость. Стандартные МР-жидкости эффективны для финишной обработки оптических стекол, керамики, пластмасс и некоторых немагнитных металлов [13].
Исходя из схемы процесса магнитореологической обработки, приведенной на рисунке 8, выпуклые, вогнутые или плоские заготовки помещаются над опорной поверхностью. Согласно рисунку 9, слой МР-жидкости расположен на внешней части вращающегося диска. Под воздействием магнитного поля в рабочем зазоре происходит ориентирование абразивных частиц в МР-жидкости и осуществляется формирование зоны обработки. Устранение микронеровностей и дефектов поверхности происходит благодаря повороту линзы в зоне обработки относительно своей оси с постоянной скоростью [14]. Удаление материала происходит за счет создания МР-жидкостью напряжений сдвига на обрабатываемой поверхности. Автоматизация отделочной обработки плоских, цилиндрических и шаровых поверхностей может быть осуществлена за счет контроля процесса обработки с помощью ЭВМ.
Отделочная обработка поверхностей с помощью МР-жидкостей имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами финишной обработки:
1. силы резания регулируются с помощью магнитного поля;
2. жидкость удаляет тепло и стружку из зоны обработки;
3. силы, действующие на обрабатываемую поверхность, имеют значительно меньшие значения чем при шлифовании кругом;
4. МР-жидкость автоматически приспосабливается к форме обрабатываемой поверхности, копируя ее.
Управляемый с помощью ЭВМ, магнитореологический процесс позволил производить обработку поверхности с точностью 10 – 100 нм, и снял многие ограничения, присущие обычным видам финишной обработки [7].
Уникальные характеристики данного метода, сделали его наиболее эффективным при отделочной обработке оптики, входящей в состав приборов навигации, медицинского оборудования, военной техники (прибор ночного видения, инфракрасный бинокль и т. п.) и т. д.
Литература
|
|