Формування інструментального середовища при магнітно абразивному обробленні в великих магнітних зазорах

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorМайборода, Віктор Станіславович
dc.contributor.authorЗаставський, Костянтин Олегович
dc.date.accessioned2024-06-18T10:00:33Z
dc.date.available2024-06-18T10:00:33Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractЗаставський К.О. Формування інструментального середовища при магнітно абразивному обробленні в великих магнітних зазорах. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 – Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. В дисертаційній роботі розроблено методики визначення сил, що діють на деталь з боку магнітного інструменту (МАІ), які дозволяють встановити особливості формування МАІ в процесі магнітно-абразивного оброблення (МАО). В перше встановлено реальну величину сил при МАО, а також визначено процеси та явища, що на них впливають з урахуванням зміни технологічних факторів, таких як індукція магнітного поля, швидкість рухів при обробленні, типу, форми та розміру частинок МАП та матеріалу деталі. Розроблено рекомендації щодо інтенсифікації процесу МАО з огляду на особливості формування МАІ та реальну величину сил. Експеримент виконували на установці для МАО виготовленій на базі вертикально фрезерного верстату типу ОЦ – Іжевськ, що забезпечує оброблення деталей у великому магнітному зазорі кільцевого типу. Зразками для проведення дослідження були циліндричні квадратні та трикутні призми висотою 30 мм і характерним розміром 8, 12 та 16 мм з феропара- та діамагнітних матеріалів, а також лопатка ГТД товщиною 1 мм та висотою 30 мм зі сплаву титану. Для вимірювання сил при МАО було використано методики вимірювання ефективного крутного моменту на валу двигуна, що обертає деталь, та вимірювання сили опору за допомогою тензодатчика. Розроблено відповідне обладнання, що дозволило виконувати дослідження з врахуванням необхідних факторів. Для формування МАІ використовували порошки: оскольчастий Полімам-Т з розміром зерен 200/100 мкм, 400/315 мкм, та округлий Полімам-М 200/100 мкм, 400/315 мкм. Для визначення інтенсивності оброблення було використано квадратні призматичні зразки висотою 5 мм та розміром сторони 8, 12 та 20 мм. Параметром інтенсивності у цьому дослідженні виступав радіус заокруглення кромок деталі, що вимірювався за допомогою профілометра. Встановлено, що ефективний момент тертя при обробленні феромагнітної деталі (при даних зразках та технологічних умовах) становить до 1,4 Нм, при обробленні немагнітних деталей – до 0,9 Нм. Показано, що ефективний момент тертя прямо залежить від величини магнітної індукції, швидкостей руху деталі в робочій зоні та навколо своєї осі. Встановлено області МАО при яких відбувається: формування квазістабільного МАІ (при швидкості обертання навколо власної осі 0 – 10 рад/с), область стійкого МАІ (10 – 65 рад/с) та область з аномальним ростом/падінням сил тертя (більше 65 рад/с). Показано, відмінності в характері взаємодії між МАП та деталлю при використанні порошків з округлої форми, що спричиняє переважно пластичне деформування поверхневого шару оброблюваної поверхні. Визначено, що сила опору при обробленні циліндричних деталей має лінійну залежність від величини магнітної індукції та становить 720 Н/Тл для порошку з зернистістю 200/100 мкм та 960 Н/Тл для 400/315 мкм. Показано, що сила опору при обробленні немагнітних матеріалів Д16Т, ВТ8, БрОц не має суттєвих відмінностей. Встановлено, що сили лобового опору при МАО феромагнітних зразків як і для немагнітних зразків не залежать від швидкості оброблення і змінюються в діапазоні від 160 до 220 Н, це в 1,2-1,5 разів вище, ніж для немагнітних деталей (80 – 180 Н). Роз’яснено відмінність сили опору при оброблені магнітних та немагнітних деталей за рахунок особливостей взаємодії структурних елементів МАІ з оброблюваними поверхнями та формуванням зон заклинювання порошку. Зростання зернистості порошку з 200/100 до 400/315 мкм спричиняє зростання сили опору в 1,2 – 1,3 рази. За результатами аналітичного представлення функцій зміни величин питомих сил тертя і сил лобового опору розраховано співвідношення між питомими силами тертя і опору –Fтер/Fоп = n – параметр коефіцієнту тертя при МАО. За характером зміни величини η встановлено, що зі збільшенням швидкості руху деталей навколо осі кільцевої ванни, переважно, має місце монотонне зменшення параметру коефіцієнту тертя. Зростання швидкості обертання деталей навколо власної осі призводить в досліджуваному діапазоні практично до пропорційного збільшення величини n. В перше визначено, що при обробленні парамагнітних деталей приріст сили опору зі зростанням діаметру не пропорційний зростанню діаметру (при збільшенні діаметра в 2 рази відбувається приріст сили опору в 1,5 рази), що пояснюється відмінностями характеру оброблення різними структурними елементами МАІ. Натомість, оброблення феромагнітних деталей характеризується пропорційним приростом сили опору від зростання розміру деталей. Підтверджено, що середовище МАІ можна віднести до типу бінгамівського через характер впливу швидкості на процес оброблення, особливо при малих значеннях магнітної індукції (0,2 – 0,22 Тл). Тобто МАІ має ознаки «квазірідкого» середовища при малих значеннях магнітної індукції (малій жорсткості) та «квазітвердого» - при великих значеннях індукції (більше 0,22 Тл). Визначено, що при оброблені малих діаметрів (8 мм), феромагнітні властивості матеріалу деталі створюють умови для псевдо розрідження магнітно-абразивного середовища, через яке значення сили опору при обробленні сталевого зразку нижче ніж при обробленні титанового на 10 – 20%. Натомість при обробленні деталей великого розміру сила опору сталевої деталі була на 10 – 30 % більшою ніж для титанової деталі через значний вплив магнітних властивостей деталі при її взаємодії з формоутвореннями МАІ. Встановлено, що співвідношення питомого опору, що має місце між деталями різної формами і МАІ (відносно площі безпосередньо оброблюваної поверхні) може бути описане коефіцієнтом форми деталі. Де найбільший коефіцієнт відповідає деталі з квадратним перерізом, а найменший – у вигляді циліндру. Визначено, що при обробленні феромагнітних деталей великого розміру (16 мм) присутнє явище розширення мертвої зони з МАП, яка формується на магнітних наконечниках, що суттєво (від 20 до 70 %) підвищує силу опору. Явище зумовлене магнітною взаємодією між деталлю та МАІ при безпосередній близькості полюсних наконечників до поверхонь деталі. Запропоновано схему взаємодії МАІ з феро- та парамагнітними деталями, що враховує напрямок переміщення МАП в робочій зоні зумовлений силами магнітного притягнення. Підтверджено, що при обробленні тонких деталей типу лопатки ГТД на великих швидкостях оброблення 3 – 3,5 м/с виникає явище розриву веретеноподібного утворення МАІ, що супроводжується різким (до 25%) зниженням сили опору (це явище є характерним тільки для відносно тонких деталей та відносно крупного порошку). Розглянуто явище періодичних коливань сили опору та вплив технологічних параметрів на величину цих коливань. Визначено, що періодичні коливання залежать від швидкості оброблення, тобто збільшенні швидкості оброблення з 1 до 3,5 м/с відбувається зменшення коливань з 40% до 15% відносно середнього значення сили опору. Визначено, що наближення оброблюваних поверхонь феромагнітних деталей до робочих поверхонь полюсних наконечників не тільки підвищує величину сили опору на 20 – 70 %, але й інтенсифікує процес різання на 20 – 30%. Це відбувається через взаємодію оброблюваних поверхонь деталі з ущільненими формуваннями МАІ (такі як «мертва» зона та конусоподібні формоутворення). З огляду на це було запропоновано враховувати наявність ущільнених зон МАІ при розробці технологічних процесів МАО. Робота дозволила вперше дослідити вплив реологічних властивостей МАІ в умовах великого магнітного зазору на процеси силової взаємодії, що відбуваються між МАІ і реальною деталлю при МАО з урахуванням характеристик оброблюваної деталі та магнітно-абразивних порошків. В ході роботи було експериментально підтверджено теоретичні припущення, щодо впливу характеристик МАІ та технологічних факторів на силову взаємодію деталі з МАІ при МАО у великих магнітних зазорах. Визначено зв'язок сил, що виникають між оброблюваною деталлю та МАІ та процесами видалення матеріалу при МАО. Результати роботи дозволили уточнити механізм формування МАІ і особливості його взаємодії з поверхнями деталей складної форми в умовах великих магнітних зазорів кільцевого типу, що зробило можливим розширення можливостей методу МАО і підвищення його ефективності і продуктивності.
dc.description.abstractotherKostiantyn Zastavskiy Forming of the tool environment during magnetic abrasive processing in large magnetic gaps. Qualification scientific manuscript copyright. Thesis for the scientific degree of the doctor of philosophy, the field of study 13 – Mechanical engineering, program subject area 131 – Applied mechanics. National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2024. In the dissertation work, a methodology for determining the forces acting on the part from the side of the magnetic tool (MAI) was developed, which allows establishing the features of the formation of the MAI in the process of magnetic abrasive processing (MAF). For the first time, the real magnitude of the force at MAF was determined, as well as the processes and manifestations that affect them in view of changes in technological factors, such as magnetic field induction, speed of movements during processing, type, shape and size of MAP particles and material of details. Recommendations on the intensification of the MAF process have been developed, taking into account the features of the formation of the MAI and the real magnitude of the force. The experiment was carried out on a machine for MAF, manufactured on the basis of a vertical milling machine of the OC-Izhevsk type, which ensures the processing of parts in a large ring-type magnetic gap. The samples for the study were cylindrical square and triangular prisms with a height of 30 mm and a characteristic size of 8, 12, and 16 mm made of ferro-paraand diamagnetic materials, and a 1 mm-thick and 30-mm-high turbine blade made of a titanium alloy. The technique of measuring the effective torque on the shaft of the motor rotating the part and measuring the resistance force using a strain gauge was used to measure the force at MAF. Appropriate equipment was designed, which made it possible to taking into account the most required factors in this study. The ferromagnetic powders were used for the formation of MAI: fragmented Polymam-T with a grain size of 200/100 m, 400/315 m, and rounded Polymam-M 200/100 m, 400/315 m. To determine the processing intensity, square prismatic samples with a height of 5 mm and a side size of 8, 12 and 20 mm were used. The intensity parameter in this study was the radius of rounding of the edges of the detail, which was measured using a profilometer. It was established that the effective moment of friction when processing a ferromagnetic detail (according to sample data and technological conditions) is up to 1.4 Nm, when processing non-magnetic details - up to 0.9 Nm. It is shown that the effective moment of friction directly depends on the magnitude of magnetic induction, the speed of movement of parts in the working area and around its axis. The region of MAO in which the following occurs: the formation of quasi-stable MAI (at a rotation speed around its own axis of 0-10 rad/s), the region of stable MAI (10-65 rad/s) and the region with anomalous growth/decrease of the friction force (more than 65 rad/s). It is shown that there are differences in the nature of the interaction between the MAP and the detail when using powders of a rounded shape, which causes mainly plastic deformation of the surface layer of the finished surface. It was determined that the resistance force during processing of cylindrical parts has a linear dependence on the magnitude of the magnetic induction and is 720 N/T for powder with a grain size of 200/100 m and 960 N/T – for 400/315 m. It is shown that the strength of resistance during processing of non-magnetic materials (aluminum, titanium and bronze) has no significant differences. It was established that the frontal resistance forces at MAF of ferromagnetic samples, as well as for non-magnetic samples, do not depend on the processing speed and vary in the range from 160 to 220 N, which is 1.2 – 1.5 times higher than for non-magnetic parts (80 - 180 N). The difference in the strength of resistance for processed magnetic and nonmagnetic parts is explained due to the peculiarities of the interaction of the structural elements of the MAI with the processed surfaces and the formation of the powder jamming zone. An increase in the grain size of the powder from 200/100 to 400/315 microns causes a 1.2-1.3 times increase in the resistance force. According to the results of the analytical representation of the functions, the magnitude of the specific friction forces and the frontal resistance force changes, the ratio between the specific friction forces and resistance is calculated –Ffr/Fres = n – the parameter of the friction coefficient during MAF. According to the nature of the change in the value of n, it was found that with an increase in the speed of movement of details around the axis of the ring bath, there is mainly a monotonous decrease in the parameter of the coefficient of friction. The increase in the speed of rotation of details around their own axis in the studied space is practically proportional to the increase in the value of n. For the first time, it was determined that during processing of paramagnetic parts, the increase in resistance with increasing diameter is not proportional to the increase in diameter (with a 2-fold increase in diameter, there is a 1.5-fold increase in resistance), which is explained by the differences in the nature of processing and improvement by structural elements of the MAI. On the other hand, the processing of ferromagnetic parts is characterized by a proportional increase in the resistance force due to the increase in the size of the part. It is confirmed that the environment of the MAI can be attributed to the type of Bingham character due to the influence of the speed of the processing process, especially at low values of magnetic induction (0.2 - 0.22 T). That is, the MAI has the characteristics of a "quasi-liquid" medium at low values of magnetic induction (low stiffness) and "quasi-solid" at high values of induction (more than 0.22 T). It was determined that when processing small diameters (8 mm), the ferromagnetic properties of the material of the part create conditions for pseudoliquefaction of the magnetic-abrasive medium, due to which the value of the force resistance during processing of the steel sample is lower than during processing.
dc.format.extent137 с.
dc.identifier.citationЗаставський, К. О. Формування інструментального середовища при магнітно абразивному обробленні в великих магнітних зазорах : дис. … д-ра філософії : 131 – Прикладна механіка / Заставський Костянтин Олегович. – Київ, 2024. – 137 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/67228
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectмагнітно-абразивне оброблення (МАО)
dc.subjectмагнітноабразивний порошок (МАП)
dc.subjectмагнітно-абразивний інструмент (МАІ)
dc.subjectгібридний інструмент
dc.subjectрізальний інструмент
dc.subjectрізання
dc.subjectсила різання
dc.subjectрежими різання
dc.subjectшвидкість різання
dc.subjectтехнологічний процес
dc.subjectтехнологічна система
dc.subjectінноваційний процес
dc.subjectМАО в великому магнітному зазорі
dc.subjectмагнітне поле
dc.subjectсила опору
dc.subjectтертя
dc.subjectкоефіцієнт тертя
dc.subjectМАО пара- та феромагнітних деталей
dc.subjectшорсткість
dc.subjectдеформація
dc.subjectпластичне деформування
dc.subjectMagnetic Abrasive Finishing (MAF)
dc.subjectMagnetic Abrasive Powder (MAP)
dc.subjectMagnetic Abrasive Tool (MAT)
dc.subjecthybrid tool
dc.subjectcutting tool
dc.subjectcutting
dc.subjectcutting force
dc.subjectcutting conditions
dc.subjectcutting speed
dc.subjecttechnological process
dc.subjecttechnological system
dc.subjectprocess innovation
dc.subjectMAF in a large magnetic gap
dc.subjectmagnetic field
dc.subjectresistance force
dc.subjectfriction
dc.subjectcoefficient of friction
dc.subjectMAF on para- and ferromagnetic details
dc.subjectroughness
dc.subjectdeformation
dc.subjectplastic deformation
dc.subject.udc621.923
dc.titleФормування інструментального середовища при магнітно абразивному обробленні в великих магнітних зазорах
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Zastavskiy_dys.pdf
Розмір:
7.85 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ККМ)
Дисертації (вільний доступ)