Магнітно-абразивне полірування площин індукторами на базі високоенергетичних магнітів
| dc.contributor.advisor | Майборода, Віктор Станіславович | |
| dc.contributor.author | Буріков, Олексій Олегович | |
| dc.date.accessioned | 2025-07-11T14:19:11Z | |
| dc.date.available | 2025-07-11T14:19:11Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | Буріков О.О. Магнітно-абразивне полірування площин індукторами на базі високоенергетичних магнітів. – 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, 2025. Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Д Дисертаційна робота виконувалася відповідно до наукового напряму "Дослідження властивостей магнітно абразивного інструменту при обробці в умовах кільцевої ванни" на кафедрі конструювання машин КПІ ім. Ігоря Сікорського. Результати дисертаційної роботи використані при виконанні ініціативної НДР "Освоєння нових технологій виробництва матеріалів, їх оброблення і з'єднання, створення індустрії наноматеріалів та нанотехнологій" (№ державної реєстрації 0122U000084). В дисертаційній роботі використано методики визначення якісних параметрів оброблюваних поверхонь, що утворюються внаслідок взаємодії магнітно-абразивного інструменту (МАІ) та поверхонь заготовок, які дозволяють провести комплексну оцінку впливу складових технологічних параметрів при проведенні магнітно-абразивної оброблення (МАО) площин торцевими індукторами. Вперше визначено вплив технологічних параметрів оброблення таких як, швидкість обертання індуктора, робочий зазор, швидкість подачі, початкова шорсткість та конструктивні, такі як, тип та розмір магнітно-абразивного порошку, форма робочої поверхні індуктора, компонування індуктора. Розроблено рекомендації, щодо підбору раціональних технологічних параметрів для інтенсифікації процесу МАО, що базуються на особливостях утворення МАІ. Експеримент виконували на установці для МАО, що реалізована на універсальному верстатному обладнанні – вертикально-фрезерному верстаті мод. 6Б75ВФ1, що дає змогу вести оброблення в умовах малих магнітних зазорів. У якості дослідних зразків для проведення дослідження були використані феромагнітні матеріали у формі пластин розмірами 440х80х20 мм із сталі 40Х та пластин розмірами 65х8х0,8 мм із вуглецевої інструментальної сталі У9. Для оцінки фізико-механічних та якісних параметрів поверхонь отриманих внаслідок впливу МАО було використано якісні методи – візуальний та безконтактний способи та кількісні методи – контактні та безконтактні із використання спеціальних вимірювальних приладів – мікроскопів, профілометрів та профілографів. Розроблено технологічні пристосування для закріплення та зчитування отриманих результатів оброблення. Для формування МАІ були використані наступні порошки: оскольчастий рівновісний Феромап та Царамам з розміром зерен 630/400, 400/315, 315/200, 200/100 мкм, округлі рівновісні ПР6М5 200/100 мкм, ДЧЛ 1800/1300 мкм, S330 1400/1000 мкм, оскольчасті алмазні пасти типу АСМ 40/28 мкм, 20/14 мкм, 5/3 мкм, 3/2 мкм, а також суміші на основі даних порошків. Встановлено, що в залежності від величини фракції МАП існують раціональні значення величини магнітних зазорів, що відповідають певній величині фракції порошку, при якому відбувається ефективне оброблення та відсутній ефект шаржування. За величини зазору менше ніж 1,5 мм відбувається процес активного видалення матеріалу, але при цьому спостерігаються часті випадки шаржування. При проведенні МАО із величиною магнітних зазорів понад 5 мм оброблення не відбувається внаслідок недостатньої абразивної та магнітної взаємодії МАІ та оброблюваної поверхні. В більшості випадків раціональним значенням робочого зазору для випробуваних МАП становить близько 3-х мм. Показано, що за швидкості подачі головки при проведенні МАО в межах 20, 30 і 50 мм/хв. Відбувається переважне видалення вершин мікронерівностей поверхні без активної обробки западин. При швидкостях подачі в межах 5-15 мм/хв виконується повне розполіровування мікропрофілю із активним видаленням елементів спадковості оброблення, отриманих внаслідок застосування первинних методів оброблення. Визначено, відмінності в характері взаємодії між МАП та деталлю при використанні порошків округлої форми, що виконує переважно пластичне деформування поверхневого шару оброблюваної поверхні без значного видалення матеріалу заготовки. Встановлено, що при проведенні МАО зі швидкостями обертання індуктора в межах до 1000 об/хв отримані значення шорсткості є мінімальними. Збільшення швидкості обертання індуктора понад 1000 об/хв веде до порушення механізму взаємодії МАІ із оброблюваною поверхнею – відбувається активне просковзування та проворот частинок МАП відносно оброблюваної поверхні, що не забезпечує сприятливих умов для протікання процесів полірування та мікрорізання, тобто МАІ не встигає відновлювати свою форму у магнітному полі, а й відповідно не виконує активного видалення матеріалу. Результатами моделювання магнітних полів за різного компонування індуктора доведено, що раціональною конструкцією є головка з одним великим магнітом завдяки більшій однорідності поля, енергоефективності, простоті управління, меншій складності та низьким ризиками механічних збоїв. Така конструкція дозволяє досягти стабільних та прогнозованих результатів оброблення та вимірювань. Досліджено множину варіацій робочих поверхонь індуктора. Встановлено, що найраціональнішою конструкцією робочої поверхні торцевої головки з МАІ типу щітка є поверхня, що містить у своїй будові 9 – 12 променеподібних виступів трикутної форми. Використання подібних головок дозволяє забезпечувати формування шорсткості оброблених поверхонь з Ra < 0,03 мкм при вихідній Ra на рівні 0,8 мкм. При цьому практично повністю усувається мікрохвилястість, що формується внаслідок попередніх методів оброблення. За характером зміни величини відносної опорної поверхні мікропрофілю проаналізовано кінетику його формування. Показано, що на початковому етапі відбувається переважне видалення мікровиступів із подальшим активним обробленням мікровпадин та вигладжуванням мікропрофілю. Встановлено, що найбільші значення стискаючих залишкових напружень, до 100 МПа, формуються після МАО плоских поверхонь індукторами типу "щітка" на базі постійних високоенергетичних магнітів з використанням округлих порошкових матеріалів, які забезпечують переважне пластичне деформування поверхневого шару, його мікронаклепування без значного видалення матеріалу, яке притаманне МАО порошками з осколковою формою частинок типу Феромап. Показано, що найбільше значення збільшення ступеню наклепу знаходиться на глибині 5–5,5 мкм. При цьому зростання ступеню наклепу понад 35% відбувається після МАО зразків порошками з найменшими радіусами округлення різальних кромок – таких як Феромап – 30–60 мкм та Царамам – 10–50 мкм. Встановлено, що зміна твердості по глибині не є рівномірною. Результати демонструють, що після МАО порошком Феромап відбувається зростання твердості на глибині 120 – 320 мкм, в той час як після проведення МАО порошком Царамам зростання твердості в поверхневому шарі відбувається на глибині 100 – 150 мкм. Найбільші значення підвищення твердості в поверхневому шарі матеріалу зразків на глибині до 200 мкм має місце після виконання МАО округлим порошком S330 з розміром частинок 1200/900 мкм, який виконує переважне пластичне деформування поверхневого шару. Отримані результати взаємозалежні із даними отриманими при визначенні залишкових напружень – найбільше зростання показника твердості в поверхневому шарі відповідає найбільшим залишковим напруженням. Пояснення зазначеному факту пов’язано з структурною і дефектною перебудовами матеріалу зразків і потребує подальших ретельних мікроструктурних досліджень. Вперше встановлено, що для МАО із використанням сферичних порошків, характерним є відносно низький рівень зниження шорсткості, за рахунок форми поверхні МАП, яка не має множини різальних кромок, а при обробленні поверхонь такими порошками спостерігається високий вплив на поверхневі напруження внаслідок інтенсивної ударно-фрикційної взаємодії. Встановлено, що застосування сумішей МАП для проведення МАО забезпечують зниження рівня мікрохвилястості поверхні. Про це свідчать положення зон на кривих залежності зміни величин tp від рівня відносних висот профілю р, де відбувається перехід від мікровиступів до мікрозападин профілю поверхонь. Для сумішей порошків Феромап з розміром частинок 630/400 і 315/200 мкм розташування зазначених зон зміщується від відносного рівня перетину р=25,5% після оброблення МАП із розміром частинок 630/400 мкм до рівня р=50% при використанні сумішей порошків з розміром частинок 630/400 і 315/200 мкм за умов зростання вмісту відносної кількості дрібної фракції і суміші до 0,4. Використання при МАО інструменту, який сформований із суміші крупних округлих частинок порошку ДЧ 1800/1300 мкм із дрібними оскольчастими частинками порошку Феромап з розмірами частинок 630/400, 315/200 і 200/100 мкм дозволяє за умов оброблення із раціональними значеннями робочих зазорів встановити, що як і у випадку використання оскольчастих МАП величина робочого зазору не має значного впливу на вихідні параметри шорсткості, що підтверджує попередні результати досліджень. Показано, що найкращі результати оброблення отримано при використанні сумішей округлих порошків ДЧ 1800/1300 мкм і оскольчастих Феромап 630/400 мкм при їх співвідношенні в МАІ 1:1. За таких умов оброблення округлі крупні порошки, виконують роль рухомо-скоординованого притиру, передаючи силове навантаження на дрібні частинки. При цьому у процесі взаємодії з оброблюваною поверхнею крупні округлі частинки забезпечують як пластичне деформування мікронерівностей поверхні, так і безпосередньо поверхневого шару. Доведено, що формування МАІ з порошку ДЧ 1500/1300 мкм та алмазних паст типу АСМ дозволило встановити, що найкраща поліруюча спроможність відповідає МАІ, який сформовано з порошку ДЧ 1500/1300 мкм з додаванням пасти АСМ із розміром зерен 5/3 мкм. При цьому отримано шорсткість оброблених поверхонь з Ra на рівні 0,03 - 0,04 мкм. Результати роботи дозволили уточнити механізм формування МАІ на основі сумішей і особливості його взаємодії з поверхнями типу площина в умовах малих магнітних зазорі, що зробило можливим розширення номенклатури застосування методу МАО і підвищення його ефективності і продуктивності. | |
| dc.description.abstractother | Burikov O.O. Magnetic-abrasive polishing of planes with inductors based on highenergy magnets. – Qualification scientific work in the form of a manuscript. Thesis for the scientific degree of 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, 2025. The dissertation uses methods for determining the qualitative parameters of the processed surfaces, which are formed as a result of the interaction of the magneticabrasive tool (MAT) and the surfaces of the workpieces, which allow for a comprehensive assessment of the influence of the constituent technological parameters during magneticabrasive finnishing (MAF) of planes with end inductors. For the first time, the influence of technological processing parameters such as the inductor rotation speed, working gap, feed rate, initial roughness and design parameters such as the type and size of magnetic abrasive powder, the shape of the inductor working surface, and the inductor layout was determined. Recommendations were developed for the selection of rational technological parameters for the intensification of the MAF process, based on the features of the formation of MAT. The experiment was performed on a MAF installation implemented on universal machine tool equipment - a vertical milling machine mod. 6B75VF1, which allows processing in conditions of small magnetic gaps. As experimental samples for the study, ferromagnetic materials in the form of plates measuring 440x80x20 mm from 40X steel and plates measuring 65x8x0.8 mm from U9 carbon tool steel were used. To assess the physical, mechanical and qualitative parameters of surfaces obtained as a result of the influence of MAF, qualitative methods were used - visual and noncontact methods and quantitative methods - contact and non-contact using special measuring instruments - microscopes, profilometers and profilographs. Technological devices were developed for fixing and reading the obtained processing results. The following powders were used to form the MAT: fragmented equiaxed Feromap and Tsaramam with grain sizes of 630/400, 400/315, 315/200, 200/100 μm, rounded equiaxed PR6M5 200/100 μm, CIS (cast iron shot) 1800/1300 μm, S330 1400/1000 μm, fragmented diamond pastes of the DSP (diamond submicropowders) type 40/28 μm, 20/14 μm, 5/3 μm, 3/2 μm, as well as mixtures based on these powders. It was established that depending on the size of the MAP (magnetic abrasive powder) fraction, there are rational values of the magnetic gaps corresponding to a certain size of the powder fraction, at which effective processing occurs and there is no cartooning effect. At a gap size of less than 1.5 mm, the process of active material removal occurs, but frequent cases of chamfering are observed. When performing MAF with a magnetic gap size of more than 5 mm, processing does not occur due to insufficient abrasive and magnetic interaction of the MAT and the surface being processed. In most cases, the rational value of the working gap for the tested MAP is about 3 mm. It is shown that at the feed rate of the head during MAF within 20, 30 and 50 mm/min. There is a predominant removal of the tops of surface micro-roughnesses without active processing of depressions. At feed rates within 5-15 mm/min, complete polishing of the micro-profile is performed with active removal of processing inheritance elements obtained as a result of the use of primary processing methods. It was determined that there are differences in the nature of the interaction between the MAT and the part when using round powders, which perform mainly plastic deformation of the surface layer of the treated surface without significant removal of the workpiece material. It was established that when conducting MAF with inductor rotation speeds within the range of up to 1000 rpm, the obtained roughness values are minimal. An increase in the inductor rotation speed above 1000 rpm leads to a violation of the mechanism of interaction of the MAT with the treated surface - active sliding and rotation of the MAP particles relative to the treated surface occurs, which does not provide favorable conditions for the polishing and microcutting processes, i.e. the MAT does not have time to restore its shape in the magnetic field, and accordingly does not perform active material removal. The results of modeling magnetic fields with different inductor layouts have proven that the rational design is a head with one large magnet due to greater field uniformity, energy efficiency, ease of control, lower complexity and low risk of mechanical failures. Such a design allows achieving stable and predictable processing and measurement results. A variety of variations of the inductor working surfaces have been studied. It has been established that the most rational design of the working surface of the end head with a brush-type MAT is a surface containing 9-12 radial protrusions of a triangular shape in its structure. The use of such heads allows for the formation of a roughness of the processed surfaces with Ra < 0.03 μm at the initial Ra at the level of 0.8 μm. At the same time, the microwaviness formed as a result of previous processing methods is almost completely eliminated. The kinetics of its formation were analyzed by the nature of the change in the value of the relative support surface of the microprofile. It was shown that at the initial stage, the predominant removal of microprotrusions occurs with subsequent active processing of microcavities and smoothing of the microprofile. It was established that the largest values of compressive residual stresses, up to 100 MPa, are formed after MAF of flat surfaces by "brush" type inductors based on permanent high-energy magnets using rounded powder materials, which provide predominant plastic deformation of the surface layer, its microhardening without significant removal of material, which is inherent in MAF using powders with a fragmentary shape of particles of the Feromap type. It was shown that the largest value of the increase in the degree of hardening is at a depth of 5–5.5 μm. At the same time, the increase in the degree of hardening by more than 35% occurs after MAP of samples with powders with the smallest radii of rounding of cutting edges - such as Feromap - 30–60 μm and Tsaramam - 10–50 μm. It was established that the change in hardness along the depth is not uniform. The results demonstrate that after MAF with Feromap powder, hardness increases at a depth of 120– 320 μm, while after MAF with Tsaramam powder, hardness increases in the surface layer at a depth of 100–150 μm. The largest values of the increase in hardness in the surface layer of the sample material at a depth of up to 200 μm occur after MAF with rounded S330 powder with a particle size of 1200/900 μm, which performs the predominant plastic deformation of the surface layer. The obtained results are interrelated with the data obtained when determining residual stresses - the greatest increase in the hardness index in the surface layer corresponds to the greatest residual stresses. The explanation of this fact is associated with the structural and defect rearrangements of the sample material and requires further careful microstructural studies. It was first established that for MAF using spherical powders, a relatively low level of roughness reduction is characteristic, due to the shape of the MAP surface, which does not have a set of cutting edges, and when processing surfaces with such powders, a high impact on surface stresses is observed due to intensive shock-friction interaction. It was established that the use of MAP mixtures for MAF provides a decrease in the level of surface microwaviness. This is evidenced by the position of the zones on the curves of the dependence of the change in the values of tp on the level of relative heights of the profile p, where the transition from microprotrusions to microdents of the surface profile occurs. For mixtures of Feromap powders with particle sizes of 630/400 and 315/200 μm, the location of the indicated zones shifts from the relative level of intersection p=25.5% after processing MAP with particle sizes of 630/400 μm to the level p=50% when using mixtures of powders with particle sizes of 630/400 and 315/200 μm under the conditions of increasing the content of the relative amount of fine fraction and the mixture to 0.4. The use of a tool for MAF, which is formed from a mixture of large rounded particles of powder DC 1800/1300 μm with small fragmented particles of powder Feromap with particle sizes of 630/400, 315/200 and 200/100 μm, allows, under processing conditions with rational values of working gaps, to establish that, as in the case of using fragmented MAP, the value of the working gap does not have a significant effect on the initial roughness parameters, which confirms the previous results of the studies. It is shown that the best processing results were obtained when using mixtures of rounded powders CIS 1800/1300 μm and fragmented Feromap 630/400 μm at their ratio in MAT 1:1. Under such processing conditions, rounded large powders play the role of a motion-coordinated lapping, transferring the force load to small particles. At the same time, in the process of interaction with the treated surface, large rounded particles provide both plastic deformation of the surface micro-irregularities and the surface layer itself. It has been proven that the formation of MAT from 1500/1300 μm CIS powder and DSP-type diamond pastes made it possible to establish that the best polishing ability corresponds to MAI, which is formed from 1500/1300 μm CIS powder with the addition of DSP paste with a grain size of 5/3 μm. At the same time, the roughness of the treated surfaces with Ra at the level of 0.03 - 0.04 μm was obtained. The results of the work allowed to clarify the mechanism of MAT formation based on mixtures and the features of its interaction with plane-type surfaces in conditions of small magnetic gaps, which made it possible to expand the range of application of the MAF method and increase its efficiency and productivity. | |
| dc.format.extent | 145 с. | |
| dc.identifier.citation | Буріков, О. О. Магнітно-абразивне полірування площин індукторами на базі високоенергетичних магнітів : дис. … д-ра філософії : 131 – Прикладна механіка / Буріков Олексій Олегович. – Київ, 2025. – 145 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/74891 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | Магнітно-абразивне оброблення (МАО) | |
| dc.subject | Магнітноабразивний порошок (МАП) | |
| dc.subject | Магнітно-абразивний інструмент (МАІ) | |
| dc.subject | шорсткість | |
| dc.subject | опорна поверхня | |
| dc.subject | полірування | |
| dc.subject | поверхнева твердість | |
| dc.subject | залишкові напруження | |
| dc.subject | різання | |
| dc.subject | режими різання | |
| dc.subject | технологічний процес | |
| dc.subject | індуктор | |
| dc.subject | інноваційний процес | |
| dc.subject | МАО в умовах малих магнітних зазорів | |
| dc.subject | магнітне поле | |
| dc.subject | ударно-фрикційна взаємодія | |
| dc.subject | рухомо-скоординований притир | |
| dc.subject | МАО феромагнітних деталей | |
| dc.subject | деформація | |
| dc.subject | пластичне деформування | |
| dc.subject | механічна суміш | |
| dc.subject | Magnetic abrasive finishing (MAF) | |
| dc.subject | Magnetic abrasive powder (MAP) | |
| dc.subject | Magnetic abrasive tool (MAT) | |
| dc.subject | roughness | |
| dc.subject | support surface | |
| dc.subject | polishing | |
| dc.subject | surface hardness | |
| dc.subject | residual stresses | |
| dc.subject | cutting | |
| dc.subject | cutting modes | |
| dc.subject | technological process | |
| dc.subject | inductor | |
| dc.subject | innovative process | |
| dc.subject | MAF in conditions of small magnetic gaps | |
| dc.subject | magnetic field | |
| dc.subject | shock-friction interaction | |
| dc.subject | motion-coordinated lapping | |
| dc.subject | MAF of ferromagnetic parts | |
| dc.subject | deformation | |
| dc.subject | plastic deformation | |
| dc.subject | mechanical mixture | |
| dc.subject.udc | 621.923 | |
| dc.title | Магнітно-абразивне полірування площин індукторами на базі високоенергетичних магнітів | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: