Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
сотрудник
Таганрог, Ростовская область, Россия
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
аспирант
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Представлены области использования устройств с вращающимся электромагнитным полем. Показана сущность и физические эффекты, обуславливающие их применение в технологии изготовления деталей машин, нанесения покрытий, а также для переработки отходов металлопроизводста в процессе обработки ферромагнитными инденторами. Приведены результаты экспериментальных исследований, раскрывающие технологические возможности магнитодинамической обработки на отделочно-упрочняющих операциях.
вращающееся электромагнитное поле, ферромагнитный индентор, магнитовибрирующий слой, упрочнение, интенсивность обработки, качество поверхностного слоя
На сегодняшний день круг производственных задач, решаемых с применением магнитного поля, достаточно широк. Рассмотрим некоторые из них, применяемые в технологических процессах изготовления деталей машин. В числе методов, разработанных в отечественной и зарубежной практике, можно выделить следующие методы [1].
1. Методы поверхностной пластической
деформации деталей инструментом с наложением переменного магнитного поля высокой напряженности. Эти методы позволяют путём совмещения в пространстве и во времени двух технологических факторов обеспечивать модификацию структуры фазового состава упрочненного поверхностного слоя и поля напряжений в объеме изделия.
2. Методы обработки с использованием магнитного поля как источника энергии, придающей движение обрабатывающей среде или инструменту. К этим методам относятся: отделочная магнитно-абразивная обработка, представляющая собой процесс абразивной обработки, осуществляемый при относительном движении изделия и абразивных зерен в магнитном поле; ударная магнитно-импульсная обработка, в которой движение обрабатывающей среде придается энергией импульсного магнитного поля; обработка магнитно-динамическим инструментом, при которой силовое взаимодействие деформирующих шаров с поверхностью детали осуществляется за счет энергии магнитного поля, введенного в зону обработки.
3. Методы воздействия магнитным полем. Различают магнитно-импульсную и магнитную обработку, которые применяют для упрочняющей обработки различных деталей и их соединений.
Энергетические возможности вращающегося электромагнитного поля (ВЭМП) на протяжении многих лет привлекают исследователей для решения технологических задач. Разработанные на его основе устройства, как показано в табл. 1. получили применение для выполнения технологических переделов в различных отраслях производства, обеспечивая при этом их высокую производительность и качество продукции [1, 2].
1. Области применения устройств с вращающимся электромагнитным полем
|
Отрасль применения |
Технологические процессы |
|
Химическо-биологический комплекс |
‒ окисление фенола, спиртов в сточных водах; ‒ очистка сточных (в т.ч. гальванических) вод от тяжелых металлов; ‒ получение дисперсий из латекса; ‒ приготовление эмульсий вода-масло и СОЖ; ‒ ликвидация илов из отстойников городов; ‒ обработка дизельного топлива с водой, топливного мазута, в т.ч. обводненного, отработанных масел; ‒ производство масляных и фасадных красок, минеральных пигментов для |
|
Агропромышленный комплекс |
‒ производство соков и паст из ягод и овощей при комнатной температуре, ‒ обеззараживание навоза и производство гранул органоминеральных удобрений; ‒ получение высокопитательных кормов из соломы, стеблей кукурузы, ‒ предпосевная обработка семян; ‒ утилизация отходов от производства подсолнечного и оливкового и др. масел; ‒ экстракция эфирных масел и др. из полевых растений |
|
Строительный комплекс |
‒ переработка гудрона в битум, отработанных покрышек в тепло и ‒ производство изоляционных от тепла и звука плиток из песка, опилок, золы и их смесей, водонепроницаемого песка для гидроизоляции (гидрофобных |
|
Нефтегазовый комплекс |
‒ разжижение нефти и мазута для перевозки при низких температурах; ‒ нейтрализация пластовых вод при добыче нефти или газа; извлечение из них ценных компонентов; ‒ активация нефти перед крекингом; |
|
Горнодобывающий комплекс |
‒ переработка отвалов фосфоргипса и его смесей, отвалов с целью извлечения ценных примесей (золота, меди, вольфрама, никеля и др.); ‒ выработка ценных компонентов из месторождений с малыми запасами (W, Mo, Au и др.); ‒ подготовка глинистых растворов для бурения |
Высокая эффективность устройств с вращающимся электромагнитным полем обусловлена способностью их формировать магнитовибрирующий слой (МВС), обеспечивающий комплексное активационное воздействие на объект обработки или переработки физических эффектов и, как следствие, высокую интенсивностью движения частиц дисперсной среды [2, 3]. В качестве основных управляющих характеристик МВС, определяющих технологический эффект устройств с ВЭМП, выделяют следующие [4]:
‒ первой характеристикой МВС является индукция начала магнитовибрирования или градиент индукции переменного поля. Дисперсная система переходит в магнитовибрирующее состояние при индукции переменного магнитного поля выше некоторого критического, зависящего от размера частиц, их магнитного момента, частоты поля, индукции постоянного поля и др.;
‒ второй характеристикой служит средняя скорость поступательного движения частиц в состоянии развитого магнитовибрирования, зависящая от режимных и физических параметров системы, от свойств ферромагнитного материала, топологии поля;
‒ третей характеристикой МВС является удельная мощность, затрачиваемая на магнитовибрирование единицы массы дисперсной системы;
‒ четвёртой, характеристикой рассматриваемого способа магнитовибрирования выступает порозность среды. Порозность в реальной системе является сложной функцией индукции постоянной и переменной составляющей поля, градиента индукции, частоты переменного поля, числа Рейнольдса, а также отношения объемов слоя и твердой фазы;
‒ пятой характеристикой МВС может быть его эквивалентная температура – квазитемпература, зависящая для данной дисперсной системы от соотношения индукций постоянной и переменной составляющих магнитного поля, а также частоты поля. Квазитемпература определяет параметры перехода из состояния «квазижидкость» в состояние «квазитвердое тело».
Универсальность предложенных характеристик магнитовибрационного слоя заключается в том, что они связаны с такими физическими величинами, как индукция постоянного и переменного магнитного поля.
Исследования, проведённые в НИИ «Вибротехнология» ДГТУ показали, что введение в рабочую зону устройств с ВЭМП неравновесных ферромагнитных инденторов (рис. 1) позволяет расширить их технологические возможности и эффективно применять в технологии изготовления деталей машин [1, 3, 5, 6].
На рис. 2 представлено, изготовленное на основе трехфазного асинхронного электродвигателя, опытно экспериментальное устройство с ВЭМП, потребляемая мощность которого составляет 225 Квт.
Экспериментальные исследования позволили обосновать критическое значение индукции равное 0,08 Т, при котором формируется МВС, характеризующийся хаотичным движением частиц в рабочей зоне под воздействием вращающегося электромагнитного поля и приводящий к большому количеству столкновений между частицами, частиц с обрабатываемыми изделиями, сопровождающихся как прямыми, так и скользящим ударами (рис. 3). Число таких соударений достигает на каждую частицу 103…104 в секунду.
Рис. 1. Обрабатывающая среда – стальные цилиндры из материала:
а – ШХ15 ГОСТ 801-78; б – 50ХФА ГОСТ 14959-79
В процессе ударно-импульсного контактного взаимодействия происходит локальная пластическая деформация поверхности изделий, находящихся в рабочей зоне устройства.
Именно этот эффект предопределил перспективность применения устройства с ВЭМП для отделочного упрочнения поверхностного слоя деталей и создания на их основе магнитодинамического метода обработки [1]. Следует отметить, что предложенный метод в силу компактности устройств и высоких энергосиловых возможностей позволил решить проблему, связанную с упрочнением длинномерных деталей летательных аппаратов таких как тонкостенные трубы, стрингеры, пояса (рис. 4), а также деталей, имеющих внутренние полости (например, ланжерон и др.).
Рис. 2. Устройство с вращающимся Рис. 3. Характер движения ферромагнитных частиц
электромагнитным полем во вращающемся электромагнитном поле
|
3 |
|
1 |
|
2 |
|
2 |
Рис. 4. Схема обработки длинномерных деталей:
1 – рабочий блок устройства с ВЭМП; 2 – приводной роликовый рольганг; 3 – деталь
Представленная на рис. 4 технологическая система проходного типа магнитодинамического упрочнения длинномерных деталей позволяет, по сравнению с существующими на практике дробеструйными установками, снизить материалоёмкость и энергоёмкость оборудования до 8 раз, повысить производительность процесса упрочнения деталей до 30 % за счёт перекрытия вспомогательного времени на их установку и получить требуемое качество поверхности
На интенсивность покрытия обрабатываемой поверхности пластическими отпечатками P и, как следствие, производительность процесса, главным образом влияет количество инденторов, загружаемых в рабочую зону устройства, их размеры и индукция электромагнитного поля B. Как показали исследования (рис. 5), превышение количества радиально расположенных кольцевых слоёв, соизмеримых с длиной индентора l, больше трех приводит к снижению интенсивности процесса.
Оптимальная величина соотношения геометрических размеров ферромагнитных инденторов (отношение длины к диаметру l/d), при котором достигается наилучший эффект обработки, находится на уровне l/d = 10 (рис. 7).
Установлено, что с увеличением индукции электромагнитного поля свыше критической, ниже которой, как отмечено выше, обрабатывающая среда находится в «твёрдой» фазе, приводит к повышению интенсивности процесса (рис. 6).
Рис. 5. Зависимость изменения степени покрытия локального участка поверхности пластическими отпечатками P от количества слоёв загрузки инденторов i с величиной соотношения l/d = 10, при B = 0,1 Тл; t = 10 c
Рис. 6. Зависимость изменения степени локального участка поверхности пластическими отпечатками P от индукции магнитного поля B при i = 3; l/d = 10; t = 10 c
Рис. 7. Зависимость изменения степени покрытия локального участка поверхности пластическими отпечатками P от соотношения размеров ферромагнитных инденторов l/d при i = 3; B = 0,1 Тл; t = 10 c
Результаты исследований влияния магнитодинамической обработки на параметры качества поверхностного слоя, модифицированного в процессе упрочнения, показали, что с увеличением продолжительности обработки высота профиля микронеровностей уменьшается до достижения определённой величины, соответствующей согласно работе [5], величине установившейся шероховатости (рис. 8).
Микротвёрдость, глубина упрочнённого слоя, величина остаточных напряжений первого рода (рис. 9) возрастают с увеличением времени обработки до определенной предельной величины [4, 5], обусловленной механическими характеристиками обрабатываемого материала. Дальнейшая обработка приводит к их снижению в результате перенаклёпа, вызывающего разрушение поверхностного слоя.
Рассмотрим ещё один из существенных физических эффектов, позволяющих расширить технологические возможности устройств с вращающимся электромагнитным полем. Каждый индентор во вращающемся магнитном поле является ярко выраженным магнитом [4]. При вращении происходит смена полярности на полюсах индентора, т.е. он перемагничивается. При этом возникает явление магнитострикции. Механизм воздействия магнитострикции на вещество заключается в следующем: любая частица или молекула любого вещества, находясь в соприкосновении с индентором в момент перемагничивания, испы-
тывает мощный удар (импульс).
Магнитострикционные явления стимулируются не столько непосредственным воздействием внешнего переменного магнитного поля на материал индентора, сколько взаимодействием вторичных полей самих инденторов, частота которых в значительной степени превосходит частоту базового поля. В результате по окружающей среде наносится удар с силой около 15…20 т/мм2, действующий, однако, на очень малом расстоянии. Таким образом, при своём движении индентор как бы непрерывно излучает силовые импульсы, выдержать которые при непосредственном контакте не могут земные материалы.
В работе [4] отмечается, что при достижении технического магнитного насыщения в рабочей зоне устройства с вращающимся электромагнитным полем измельчаются кварцевый песок, карбиды, окислы и др. Если техническое магнитное насыщение не достигнуто, то имеет место практически только перемешивание. Использование этого физического эффекта позволяет рассматривать устройства с вращающимся электромагнитным полем в качестве эффективного технического средства, во-первых, для нанесения на поверхности твёрдо смазочных антифрикционных покрытий, обеспечивающих повышение износостойкости поверхностей высокоресурсных деталей, а во-вторых, для измельчения и переработки шламовых металлоотходов с целью получения высококачественного сырья для изготовления изделий, являющихся объектом литейного производства и порошковой металлургии.
Рис. 8. Изменение шероховатости поверхности в зависимости от кратности сплошного покрытия поверхности пластическими отпечатками k и продолжительности обработки в устройствах с вращающимся электромагнитным полем
Рис. 9. Изменение остаточных напряжений в зависимости от кратности сплошного покрытия поверхности пластическими отпечатками k и продолжительности обработки в устройствах с вращающимся электромагнитным поле
Следует особо подчеркнуть, что для получения из отходов шлифовального производства сырья, которое будет использоваться в порошковой металлургии, существующий технологический процесс их переработки предусматривает выполнение ряда последовательных этапов: отделение СОЖ, сушка, измельчение и разделение. Применение устройства с ВЭМП позволяет сократить эту технологическую цепочку, объединив выполнение этапов измельчения и разделения магнитной и немагнитной компонент шлама в один, обеспечивая при этом сырьё более высокого качества. Характерная особенность шлифовального шлама ‒ повышенная способность стружкообразных частиц к образованию микроагрегатов за счет сил механического и магнитостатического взаимодействий, внутри которых заключены частицы немагнитной фракции. При соответствующем подборе параметров – амплитуды и градиента магнитной индукции, частоты электромагнитного поля и времени процесса, можно реализовать режимы при которых в устройствах с ВЭМП будет происходить наиболее интенсивное разрушение агрегатов и обеспечено получение сырья с требуемыми гранулометрическими характеристиками.
1. Кочубей, А.А. Упрочнение длинномерных деталей во вращающемся электромагнитном поле/ А.А. Кочубей, В.А. Лебедев, Ю.М. Вернигоров и др. - Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2018. - 135 с.
2. Логвиненко, Д.Д., Щеляков, О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем. - Киев: Техника, 1976. - 143 с.
3. Лебедев В.А., Вернигоров Ю.М., Кочубей А.А. Энергетические аспекты отделочно-упрочняющей обработки деталей в условиях вращающегося электромагнитного поля // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2016. - №6(60). - С. 35-42.
4. Вернигоров, Ю.М., Лелетко, К.К., Фролова, Н.Н. Моделирование разрушения частиц ферромагнитных материалов в магнитовибрирующем слое // В сборнике: World Science Proceedings of articles the international scientific conference. - 2017. - С. 59-70.
5. Кочубей, А.А. Эффективность применения вращающегося электромагнитного поля для отделочно-упрочняющей обработки деталей летательных аппаратов / А. А. Кочубей, В. А. Лебедев // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации: сб. трудов XVI всерос-сийской науч.-техн. конф. - Пермь, 2015. - С. 175-178.
6. Lebedev V.A., Kochubey A.A., Kiricheck A.V. The use of the rotating electromagnetic field for hardening treat-ment of details / IOP conference series: materials science and engineering 10. Сер. «International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems 2016» Institute of Physics Publishing, - 2017.
7. Vernigorov, Yu.M., Leletko, K.K., Frolova, N.N. Modeling of ferromagnetic parts destruction in magneto-vibrating layer // In collection: World Science Proceedings of the Inter. Scientific Conf. - 2017. - pp. 59-70.
