Методическое пособие 778

УДК679.7.022.8

В. А. Лебедев, В.В. Иванов, Г.В. Демин

ОСОБЕННОСТИ НАНЕСЕНИЯ ТВЕРДОСМАЗОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

В статье представлена сущность магнитодинамического метола нанесения твердосмазочного покрытия на поверхность деталей и средства его реализации; раскрыт механизм формирования покрытий в условиях вращающегося электромагнитного поля

Ключевые слова: твердосмазочное покрытие, магнитодинамический метод, вращающееся электромагнитное поле, ферромагнитный индентор

Основным технологическим оборудованием, позволяющим реализовать магнитодинамический способ очистки и обработки материалов является устройства с вращающимся электромагнитным полем [1]. Показано, что если ферромагнитные неравноосные инденторы поместить во вращающееся электромагнитное поле достаточной напряженности, то они приходят в сложное, хаотичное движение, создавая своеобразный магнитовибрирущий слой (МВС) [2], вращающийся с определенной угловой скоростью (рис.1) и обладают высокими энергетическими возможностями.

Рис.1. Схема магнитодинамического способа нанесения покрытий: 1 – корпус; 2 – индуктор; 3 – рабочее пространство; 4 – инденторы; 5 – обрабатываемые детали, 5 – среда покрытия

30

Вносимые в рабочую зону устройства с вращающимся электромагнитным полем частицы среды покрытия 5, которые по своей природе не обладают магнитными свойствами, под воздействием магнитовибрирующего слоя переходят во взвешенное хаотичное состояние, захватываются инденторами и переносятся на поверхность обрабатываемого изделия путем ударного импульсного их внедрения. В результате на поверхности образуется равномерный слой твердосмазочного покрытия.

Технологический эффект и технологические возможности нанесения покрытия в устройствах с вращающимся электромагнитным полем зависят от индукции магнитного поля, энергетического состояния магнитовибрирующего слоя и формирующих его ферромагнитных инденторов, формы и размеров рабочей зоны устройства, массоразмерного соотношения ферромагнитных инденторов и среды покрытия загружаемых в рабочую зону устройства.

Технологические возможности устройства с вращающимся электромагнитным полем позволяют осуществлять процесс нанесения твердосмазочных покрытий как на внутренние, так и наружные поверхности изготовленных из парамагнитных материалов деталей. В процессе обработки детали могут находиться в рабочей зоне устройства или в свободном состоянии (рис.1) или в закреплённом относительно магнитовибрирующего слоя или осуществлять относительное осевое перемещение воль рабочей зоны устройства.

По форме рабочей зоны различают устройства с цилиндрической рабочей камерой рис.1 и винтообразной. Винтообразное исполнение рабочей зоны устройства позволяет активизировать процесс перехода частиц твердосмазочного материла покрытия, не обладающего магнитными свойствами, во взвешенное псевдоожжиженное состояние и как следствие интенсифицировать процесс нанесения покрытия. Общий вид устройства с вращающимся электромагнитным полем, рабочая зона которых выполнена в виде винтового ротора приведена на рис. 2.

Рис. 2. Общий видустройства с вращающимся электромагнитным полем и винтообразной рабочей камерой

31

Как показано на рис.2, устройство содержит реакционную камеру в виде трубы 1 из немагнитного материала, в рабочей зоне которой расположен выполненный из немагнитных материалов секционный винтовой ротор 2, в него загружаются инденторы и среда покрытия 3. Труба 1 с зазором размещена в осевом канале индуктора 4. Для фиксирования трубы 1 в осевом канале обечайки 5 внутри которого располагается индуктор 4 используются установочные винты 6. Закреплённый индуктор и все элементы фиксации заключены в кожух 7, соединенный с крышками 8, 9 имеющих уплотнения 10 и 11. На крышке 8 есть патрубок 13 подвода среды сообщенным с коллектором 14. Крышка 9 снабжена патрубком 12 для отвода охлаждающей среды. Между обечайкой 5 и кожухом 7 образован кольцевой зазор. Стенка коллектора 14, обращенная к индуктору 4, имеет кольцевую проточку, в которой плотно установлен торец обечайки 5. По обе стороны проточки выполнены отверстия для прохода среды, в зазоры. Питание индуктора 4 производят через токоввод (не показан), энергия к которому поступает от блока управления (не показан). Регулирование мощности производят в блоке управления по принятой системе. При монтаже устройства штампованные пластины электротехнической стали запрессовывают в обечайку 5 из немагнитного материала по типу статоров асинхронных двигателей, а катушки (обмотки) размещают в пазах пластин. Применение обечайки 5 из железа допустимо, но при этом несколько ухудшаются электрические параметры аппарата. В осевой канал индуктора 4 вводят и центрируют трубу (реакционную камеру) 1, затем индуктор с трубой и коллектор 14 устанавливают в трубчатом кожухе 7 при помощи торцевых крышек 8 и 9 (фланцев) с уплотнениями 10 и 11. При этом формируются два кольцевых цилиндрических канала: между стенкой кожуха 7 и обечайкой 5 и между трубой 1 и стенкой канала индуктора 4.

Винтовой ротор 2 выполнен из секций, собранных из прямоугольников с образованием по периметру направленных навстречу друг другу ломаных винтовых линий с одинаковым шагом.

Устройство работает следующим образом. Включают систему охлаждения. При этом охлаждающая среда через патрубок 12 поступает через отверстия в коллекторе 14 заполняя зазоры, равномерно омывая индуктор 4 и трубу 1 и выводится из аппарата через патрубок 12. Затем подают энергию и устанавливают заданную нагрузку, после чего в трубу 1 подают продукт (материал). Так как винтовой ротор 2 снабжен по периметру плоскими элементами, смонтированными под углом, в нем создаются потоки ферромагнитных частиц, направленные один навстречу другому с максимально возможной энергоемкостью соударений. При этом, так как площадь и форма поперечного сечения вставки изменяется не только в каждом поперечном сечении, но и по всей ее длине от загрузки к выгрузке, то интенсифицируется процесс смешивания и взаимодействия ферромагнитных частиц, расширяются технологические возможности. Причём так как поперечное проходное сечение вставки имеет форму многоугольника, площадь которого по длине многократно меняется от загрузки к вы-

32

грузке, обеспечивая периодическое поджатие масс ферромагнитных частиц, увеличивая интенсивность их смешивания и энергоемкость соударений, расширяются технологические возможности [4,5].

Технико-экономические преимущества устройств с вращающимся электромагнитным полем и винтообразной рабочей камерой возникают за счет повышения производительности процесса нанесения покрытий и расширения технологических возможностей, обусловленных увеличением интенсивности смешивания и энергоемкости соударений ферромагнитных частиц друг с другом и с обрабатываемым материалов, а также тем, что частота движения ферромагнитных частиц в предлагаемом устройстве увеличивается и определяется не только частотой электромагнитного вращающегося поля, но и количеством плоских элементов (граней) в каждой секции винтового ротора.

Основным энергетическим фактором магнитодинамического метода, оказывающим комплексное воздействие на весь процесс нанесения покрытия, является неоднородное вращающееся электромагнитное поле, от напряжённости и градиента, индукции которого зависит эффективность протекания процесса.

Качество наносимого на поверхность детали твердосмазочного покрытия главным образом определяется его адгезионными и когезионными характеристиками, которые обусловлены силами межмолекулярного взаимодействия, как

вкристаллической структуре среды покрытия, так и в детали и зависят от степени их сближения [6]. Для максимального сближения среды покрытия и металла на макро/ нано уровне и как следствие адгезионной прочности покрытия возможно с помощью применения высокого внешнего локального силового воздействия, которое позволит, осуществить ни только пластическую деформацию поверхности металла, но и внедрение в неё мелкодисперсных частиц технологической среды покрытия. В этом плане магнитодинамический метод по сравнению с вибрационным методом имеет достаточно широкие преимущества из-за сопровождающих его эффективную реализацию физических явлений и процессов: магнитных, тепловых, структурно-фазовых, магнитострикционных, механических.

Ключевым рабочим элементом метода, непосредственно осуществляющим технологический эффект нанесения покрытия на поверхность, выступают инденторы, обладающие ферромагнитными свойствами и имеющие цилиндрическую форму. Энергетическое состояние инденторов и кинетика их движения

врабочей зоне устройства определяется топологией и характеристиками вращающегося электромагнитного поля, а также формой рабочей зоны устройства.

Формирующийся из инденторов магнитовибрирующий слой позволяет перевести технологическую среду покрытия, состоящую из мелкодисперсных частиц, не обладающих магнитными свойствами, из состояния покоя в псевдоожжиженное состояние. Находясь в этом состоянии частицы технологической среды покрытия при попадании между двумя соударяющимися инденторами подвергаются дальнейшему измельчению, а при попадании между индентором

33

соударяющимся с обрабатываемой поверхность вдавливаются в неё и тем самым формируют покрытие.

Процесс внедрения частиц технологической среды покрытия в поверхность металла сопровождается пластической деформацией, в результате чего происходит модификация поверхностного слоя, обусловленная структурнофазовыми превращениями, изменяются его геометрические и физикомеханические параметры. Кроме того следует подчеркнуть, что на эффективность этих процессов формирования покрытия в условиях неоднородного магнитного поля существенное влияние оказывают тепловые эффекты, способствующие возрастанию скорости движения молекул в локальной зоне контактного взаимодействия, а также магнитострикционные процессы, связанные с изменением взаимосвязей между атомами в кристаллической решетке, свойственное всем материалам, характеризующее изменение состояния намагниченности тела, его объёма и линейных размеров.

Литература

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.Лебедев В.А., Вернигоров Ю.М., Кочубей А.А. Сущность и закономерности динамики процесса обработки ферромагнитными гранулированными средами во вращающемся электромагнитном поле / Прогрессивные технологии

исистемы машиностроения. Донецкий национальный технический университет (Донецк) 2016. № 1 (52). С. 84-91.

4.Пат. № 2614009, Российская Федерация, МПК В01F 13/08. Аппарат вихревого слоя / Г.В. Серга, А.А. Кочубей, В.А. Лебедев; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет». ‒ № 2015153707; заявл. 14.12.2015; опубл. 22.03.2017, Бюл. № 9.

5.Пат. № 2618568, Российская Федерация, МПК В01F 13/08. Аппарат трубный вихревого слоя / Г.В. Серга, А.А. Кочубей, В.А. Лебедев; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет». ‒ № 2016108190; заявл. 09.03.2016; опубл. 04.05.2017, Бюл. № 13.

6.Иванов В.В. Основы вибрационных химико-механических методов нанесении покрытий: моногр. / Иванов В.В.; Дон. гос. техн. ун-т. Ростов-на- Дону, : ДГТУ, 2019.С.205.

Донской государственный технический университет г. Ростов-на-Дону, Россия

34

УДК 621.068

Г.А. Сухочев, Д.В. Силаев, В.Н. Сокольников, А.М. Некрылов

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ПРИСУТСТВИИ ВОДОРОДА

Статья содержит данные по исследованию комбинированных методов формообразования, локального упрочнения и повышения эксплуатационных показателей лопастных деталей по направлениям научной школы профессора Смоленцева Владислава Павловича. Представлена актуальность решаемых проблем, результаты экспериментов и описание технологических схем комбинированной обработки

Ключевые слова: комбинированное воздействие, эрозионно-химико-термическая обработка, активация микрошариками, анодный процесс, импульсно-силовое упрочнение, межлопаточный канал

Получить рабочие поверхности деталей сложного профиля с заданными эксплуатационными свойствами в большинстве случаев реализуется нанесением функциональных плазменным методом износостойких и теплозащитных слоев. Достаточный уровень адгезии покрытий с поверхностью определяется наличием активированного ювенильного микропрофиля без дефектов и посторонних включений с шероховатостью выше 60-70 мкм, обладающей загнутыми вершинами выступов. В большинстве случаев межлопаточные пространства турбин труднодоступны для профилированного инструмента. Межлопаточные каналы не имеют сквозного прохода инструмента для выполнения активационной обработки при подготовке поверхностей каналов под нанесение покрытий

[1].

Альтернативой традиционному подходу с использованием виброшлифования или струйно-абразивного достижения заданной шероховатости и степени активации химическим травлением под нанесение покрытий на поверхности межлопаточной зоны канала предложена технологическая операция активации с одновременным эрозионным и химико-термическим воздействием При этом на поверхности межлопаточного пространства происходит стабилизация микропрофиля с образованием ювенильной поверхности, повышающей сцепление нанесенного покрытия с основным материалом лопатки.

Исходными данными при проектировании операций с комбинированными воздействиями приняты технологические и геометрические показатели: видимая зона межлопаточного канала - до 50% по глубине, после которой профилированный инструмент не подходит к месту обработки; высотные значения шероховатости в интервале 60-70 мкм; площадь реального схватывания частиц покрытия с материалом детали не менее 80 %; якорная форма микровыступов обработанной поверхности для механического удержания падающих частиц

35

покрытия; напор потока газожидкостной токопроводящей среды до 0,3 Мпа; мощность эрозионного и термического воздействия не менее 5×106 Вт/см2 [2].

Предложенный метод обработки характеризуется объединением в единой технологической операции, по определенному алгоритму подключения к процессу, комбинированных воздействий на поверхность лопаточной детали при активации для нанесения покрытия.

Интенсифицированная термически эрозионная обработка обеспечивает формирование заданной шероховатости. При этом с минимально возможной величина микротрещин соизмерима с высотой микровыступов. Микротрещины устраняются электро-химико-механическое воздействием, наиболее интенсивно процесс идет по самым высоким вершинам, полученным после первого технологического перехода электроэрозионной операции.

Цель комбинированной обработки получить заданную шероховатость и активировать поверхность в труднодоступных местах межлопаточного пространства. Моделированием технологических режимов спрогнозированы результаты, достижимые интенсификацией эрозионных и химико-термических процессов в зоне обработки, с введением корректирующих эмпирических коэффициентов.

По итогам экспериментальной апробации системы технологического обеспечения активации поверхностей канала под плазменное покрытие, сформированной на основе режимов комбинированной обработки величина полученной после обработки термоактивными электродами шероховатости и вершин микровыступов на 30% больше значений при традиционной электроимпульсном режиме обработки. Адгезия покрытия с основой определяется величиной измененного слоя в углублении, полученном от единичного электрического импульса. На практике микротрещины до полутора раз превышают глубину кратера сформированной единичным импульсом. Глубина микротрещин не превышает 0,015-0,02 мм только при энергии электроразряда до 1,1-1,2 Дж.

Проведенные экспериментальные исследования установили - такое соотношение правомерно, когда тепловая энергия при кумулятивном эффекте от эрозионно-термического воздействия приводит к ощутимым отклонениям показателей качества поверхности от нормированных. Для небольших энергий импульса кумулятивный эффект не имеет подобной значимости, величина микродефектов становится равномерной при воздействии электрического разряда, как и при термодинамической ударной волне.

Дальнейшие исследования показали, что оптимальным будет интенсифицировать эрозионно-термический процесс до энергии импульса не более 1,2 Дж, а при последующей обдувке поверхности микрошариками в потоке газожидкостной среды с наложением тока низкого напряжения микротрещины остаются на глубине не более 2-3 мкм.

Обработка межлопаточных пространств турбины в два перехода общей длительностью 8 минут позволила достигнуть шероховатость высотой 70 мкм,

36

микровыступы которой имели загнутую, несколько расплющенную, форму, дефекты поверхности были незначительны. Поверхностный наклеп не превысил допустимое значение в 2,5 %, что не повлияло на степень адгезии основного материала с покрытием. Напыление защитного никель-хромового покрытия плазменным методом после предложенной комбинированной активации поверхности адгезия нанесенного материала с основой составила 95 Мпа. Это на 30 % больше прочности сцепления покрытия при обычной технологии подготовки и активации. Видимых зазоров между покрытием поверхностью по сечению лопатки не установлено при проведении металлографических исследований. Ресурсные испытания в эксплуатационных условиях при сложной термодинамике нагружений показали увеличение времени безотказной работы в 1,1 раза.

На основании результатов проведенных исследований предложена инже-

нерная методика технологического обеспечения активации поверхностей межлопаточных каналов под покрытие, работоспособного при высоких знакопеременных нагрузках и градиентах температур.

В другом направлении для турбонасосных агрегатов перспективных энергетических машин и двигательных устройств технологически проблемными деталей являются детали лопаточного типа с бандажом, который конструкционно формирует криволинейный сужающийся канал с характерной закруткой по радиусу. Технологическая недоступность для традиционных для открытых поверхностей лопаток процессов шлифования и дробеструйного упрочнения обусловлена отсутствием в таких каналах видимого осевого прохода для обрабатывающего профилированного инструмента. Малые размеры в поперечных сечениях сужающегося канала (менее 2-3 мм) глубиной более 10 мм не позволяют струйными и иными способами направить упрочняющий инструмент эквидистантно обрабатываемой поверхности. Поэтому на практике дробеструйным методом и/или виброшлифованием обрабатывают только открытые и условно доступные для инструмента участки, и разработчикам приходится назначать показатели качества только по кромкам лопаток, а в глубине канала они остаются на нижнем пределе допускаемых значений [3].

Такой подход ограничен удовлетворительным наклепом только доступных для обработки участков, а остальные элементы необоснованно усиливаются конструктивными методами, увеличивая металлоемкость конструкции и ухудшая рабочие показатели изделия.

Таким образом оказалось разработать методику технологического обеспечения упрочненного физико-механического состояния поверхности в ограниченном пространстве сужающегося криволинейного канала. Разрешить этот актуальный научно-технический вопрос предполагается разработкой методики технологического обеспечения равномерной обрабатываемости всей поверхности межлопаточного канала.

Комплексный анализ объекта исследований определяет, что детали с узкими сужающимися криволинейными каналами целесообразнее всего обраба-

37

тывать в паре: стыкуя их последовательно. Такое расположение дает возможность удвоить импульс удара большей массой порции шариков и в моменты совпадения скоростей импульсно-силового соударения и низкочастотного колебания встряской технологической системы разрыхлять упаковку сферических гранул, предотвращая их заклинивание в канале.

В результате был спроектирован способ комбинированного импульсноударного упрочнения поверхностей узких криволинейных каналов токопроводящими стальными шариками. Предложенный способ позволяет организовать комбинированной воздействие, которая обеспечивает почти 100% сплошность пластических отпечатков. Посредством постоянно повторяющегося импульсного удара происходит продвижение гранул внутрь межлопаточного пространства, последовательно упрочняя всю поверхность канала, формируя равнораспределенный наклепанный слой материала детали, поддерживая эффективное ударное взаимодействие в зоне обработки за счет интенсивного контактного истирания от предыдущих соударений и электрохимического растворения продуктов обработки (истирания материала детали).

При предложенном способе обработки сужающихся криволинейных каналов шарики за счет импульсно-ударного механического воздействия создают стабильный микрорельеф без зон с микротрещинами, формируют в поверхностном слое материала детали остаточные напряжения отрицательного знака, обеспечивают равномерный наклеп и, совмещая упрочнение с электрохимическим воздействием формируют заданную шероховатость по всем поверхностям лопатки. Режимы и длительность упрочнения обработки перед обработкой новой партии деталей корректируются по прогибу контрольных пластин.

Одним из проблемных вопросов технологического обеспечения результативности упрочнения узких каналов свободным (незакрепленным) инструментом (гранулами) является ограниченный период эффективности обработки от начала операции: в результате многочисленных контактов шариков с деталью формируется слоя твердых оксидов, замедляя интенсивность истирания в зоне контакта, загрязняя инструмент и поверхность. Обычно, с периодичностью 1520 минут непрерывной обработки возникает необходимость восстановления обрабатывающей способности путем замены гранул или добавления химически агрессивных компонентов, что не допустимо для сложнолегированных материалов. Главное препятствие эффективному протеканию процесса заключается в том, что продвижение шариков по каналу в условиях низкочастотных колебаний технологической системы идет стабильно только при небольшой (в пределах 5-10%) разности в размерах сечения канала по всей его длине. В узком сходящемся криволинейном шарики канале шарики постепенно, по мере сужения канала и из-за постоянных соударений между собой, теряют кинетическую энергию, происходит заклинивание в самом узком месте и процесс импульсноударного продвижения прекращается [4].

Поэтому при проектировании операции импульсно-ударного упрочнения приняты основные положения:

38

−процесс комбинированного упрочнения сочетает два вида воздействия, идущих совместно: импульсно-ударного воздействия шариков на внутреннюю поверхность лопатки и продвижения обрабатывающей среды вдоль образующей канала в условиях низкочастотных колебаний, и дополнительного электрохимического безразмерного воздействия в смачивающей место контакта шарика с выступами микрорельефа поверхности пленке технической воды.

−граничные условия: верхние величины требуемой степени наклепа поверхностного слоя материала лопатки в канале; максимальная величина давления в точке контакта шарика с поверхностью, формируемая весом порции шариков в объеме канала двойной глубины.

−определяющие режимные параметры технологической операции им- пульсно-ударного упрочнения поверхностного слоя канала - скорость деформирования и величина деформации.

−стабильность процесса импульсно-ударного продвижения шариков в канале определяет соотношения размера минимального межлопаточного размера в самом узком сечении канала и диаметров этих шариков.

Экспериментальные исследования технологических параметров импульс- но-ударного упрочнения на показатели качества обработки выполнялись с использованием специального приспособления, имитирующего сужающийся межлопаточный канал. Основным элементом этого устройства являются установленные в корпусе две вставки со скошенными боковыми поверхностями. Пространство между вставками представляет собой сквозной сужающийся канал, поверхности которого плоские. Чтобы корректировать ширину и углы схождения канала, вставки конструктивно выполнены съемными.

К наружному торцу приспособления, скошенным и плоским поверхностям полости, имитирующей канал, прикрепляются плоские контрольные пластины исследуемых материалов. Поставленная цель: установление соотношений показателей качества импульсно-ударной обработки узких сужающихся межлопаточных каналов криволинейного профиля (значения степени наклепа, остаточных напряжений отрицательного знака, их равномерности и зоны распространения, шероховатости на наружных и внутренних поверхностях канала, от режимов и времени комбинированного упрочнения, с учетом исходных фи- зико-механических свойств материала и наследованной шероховатости.

Рассмотренный технологический прием обеспечил быструю отладку режимов упрочнения на контрольных пластинах из стали У8А, в разы уменьшая затраты и время на подготовку и проведение производственной операции упрочнения поверхностей узких сужающихся криволинейных каналов.

Таким образом, была создана методика и технологическое обеспечение заданных показателей поверхности узкого сужающегося канала с закруткой по радиусу в и регламент проектирования операций комбинированного им- пульсно-силового упрочнения каналов при работе в экстремальных условиях.

Высокие статические и динамические нагрузки на высоких оборотах авиационно-космической техники влияют, прежде всего, на ресурс работы ко-

39