МАГНИТ – СЕРВИС^â

Магнитно Импульсная Обработка инструмента и деталей машин

Профессор, доктор технических наук Первов К.М.

Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин.

            Проблема повышения стойкости и долговечности инструмента очистных и проходческих комплексов, зубьев ковшей экскаваторов, металлообрабатывающего и деревообрабатывающего инструментов и т.д., равно как и деталей этих машин, особенно остро встала в последние годы в связи с резким их удорожанием.

            Применяемые в настоящее время  различные способы и средства повышения ресурса инструментов (специальная термообработка, напыление, искровое легирование, лазерная обработка и т.д.) являются весьма дорогостоящими и не позволяют существенно в 1,5 - 2,5 раза поднять их эксплуатационные показатели в условиях производства. Из многих технологий, которыми мы располагаем в настоящее время, особый интерес представляют физические методы упрочнения, в частности, методы магнитно-импульсной обработки (МИО) вызывающие необратимые структурные изменения в обрабатываемом материале.

            В тоже время эффективность традиционных методов упрочнения может быть значительно повышена при применении МИО, что хорошо видно из таблицы 1.

табл.1.

Повышение эффективности некоторых методов традиционного упрочнения и защита поверхностей деталей машин МИО

МИО^* - За 100% приняты традиционные методы упрочнения.

            Сущность новой технологии магнитно - импульсного упрочнения состоит в том, что при магнитно - импульсном воздействии вещество изменяет свои физические и механические свойства. Улучшение свойств у ферромагнитных материалов, прошедших МИО, достигается за счет направленной ориентации свободных электронов вещества внешним полем, вследствие чего увеличивается тепло- и электропроводность материала детали.

            Взаимодействие импульсного магнитного поля с деталью из токопроводящего материала происходит тем интенсивнее, чем выше структурная и энергетическая неоднородность вещества. Поэтому, чем  выше концентрация поверхностных и внутренних напряжений в металлических деталях , тем больше вероятность локальной концентрации в них микровихрей внешнего поля, которые нагревают участки вокруг кристаллов напряженных блоков и неоднородностей структуры металла. Градиент теплового потока при МИО тем выше, чем менее однородна микроструктура металла.

            В местах концентрации остаточных или усталостных напряжений, связанных с технологией производства, обработки или эксплуатации детали, теплота, наведенная при МИО вихревыми токами, частично уменьшает избыточную энергию составляющих кристаллитов и зерен  структуры образца особенно в зоне контакта напряженных участков. Микроструктура сплава улучшается в течении 0,01 . . . 1,0 сек.

            Кроме того, вихревое магнитное поле обуславливает более равномерное охлаждение детали.

            Сказанное выше подтверждается результатами проведенных испытаний представленных в таблице 2. 

табл.2.

Изменение напряжений в материалах и инструментах при МИО

Примечание. В числителе даны значения без обработки, в знаменателе при МИО

А в таблице 3 представлены некоторые физические и механические характеристики твердых сплавов, прошедших МИО.

табл.3.

Некоторые физические и механические характеристики твердых сплавов без обработки(1) и с МИО(2).

1. значения в числителе.

2. Значения в знаменателе.

            Вследствие лучшения структуры вещества после МИО существенно в 1,5 - 2,0 раза снижался коэффициент трения - скольжения режущего инструмента из быстрорежущих сталей Р18, Р12, Р6М5 при сверлении, точении, фрезеровании конструкционных сталей, что позволяло повысить скорость обработки материалов без перегрева инструмента.

            Для вращающихся деталей машин из сталей 40Х, 30ХГСА, 3Х13, ХВГ и других при МИО коэффициент трения инструмента уменьшается в 1,5 - 2,5 раза.           При  этом повышается теплопроводность материала инструмента, увеличивается скорость отвода тепловых потоков при жидкостном охлаждении, увеличивается адгезия смазочного материала на металлической поверхности и ускоряется отвод теплоты из узлов трения. (табл. 4)

табл.4.

Характеристики работы, % узла трения при МИО рабочей пары (сталь 40 - испытуемый материал).

            Для производства работ по МИО инструмента и деталей горных, камнеобрабатывающих и дорожных машин созданы мобильные промышленные установки, остоящие из силового блока, блока электронного управления, компьютера с набором конкретных программ обработки изделий, набора соленоидов.  

Конструкция соленоида, его размеры и масса определяются соответствующими задачами конкретного изделия и требованиями потребителя.

            Предлагаемая технология МИО применима для упрочнения любого режущего инструмента очистных и проходческих комбайнов, струговых установок, буровых установок (резцы, коронки, шарошечные долота и т.д.), оснащенных пластинами твердого сплава, естественными или искусственными алмазами, цельностального инструмента.

            Установка предназначена также для упрочнения любого металло- и деревообрабатывающего инструмента (сверла, метчики, плашки, пилы, протяжки и т.д.), для повышения долговечности деталей горных, дорожных, строительных машин и комплексов (зубчатые рейки, шестерни, штоки, гидроцилиндры, клапаны, подшипники, зубья ковшей экскаваторов и т.д.).

            Как показали наши промышленные испытания и исследования, после МИО стойкость металлорежущего инструмента повышается в 1,4 - 2,5 раза, горного режущего и бурового инструмента в 1,5 - 3,5 раза. Приобретенные свойства сохраняются до полного износа изделий. Кроме того, проведенный рентгеноструктурный анализ различных материалов показал, что МИО ведет к изменению в карбидной фазе (происходит аустенитно - мартенситное превращение) .

            Таким образом, МИО металлов ведет к устранению грубой исходной структуры, причем часть карбида растворяется, а остальная создает мелкозернистую структуру, обеспечивая тем самым высокую прочность и износостойкость.

            Достигнутый эффект при испытании различного металлообрабатывающего и другого инструмента обусловлен тем, что:

- повышается общая прочность изделия;

- повышается усталостная прочность;

- уменьшаются остаточные термические напряжения;

- не происходит перегрева изделия вследствие повышения коэффициента теплопроводности инструмента или детали;

- после МИО уменьшается в 2 - 3 раза скорость роста микротрещин трущихся поверхностей, в узлах трения скольжения происходит “магнитная цементация” микротрещин и улучшается магнитная смазка рабочей поверхности микроколлоидными продуктами износа материалов детали или изделия.

            Применение МИО в прокатном производстве на металлургическом заводе позволило выявить еще одну весьма интересную особенность - исчезновение налипания металла на прошивках и прокатных валках. Аналогичный эффект был отмечен и при обработке рабочего инструмента на Московском монетном дворе, что позволило существенно повысить его ресурс и качество продукции.