Учебное пособие 2170

В данной статье освещается актуальная задача математического моделирования и анализа кинематических режимов технологии плазменного напыления, а также факторов, влияющих на качество покрытий.

Материалы исследования

Плазменное напыление осуществляется с помощью плазменной струи. Поток плазмы характеризуется следующими показателями: температура в ядре, скорость струи. Схема плазменного напыления представлена на рис.1.

При плазменном напылении ограничений по габаритам при наружной наплавке деталей практически нет. При наплавке внутренних поверхностей ограничения накладывают габариты используемого плазмотрона.

Рис. 1. Схема плазменного напыления:

1 – плазмообразующий газ; 2 – место введения напыляемого материала; 3 – источник питания; 4 – катод;

5 – анод

В научной и аналитической литературе, посвященной технологии плазменного напыления, существует множество работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям влияния разных факторов на свойства покрытий. Каждая стадия технологического процесса плазменного напыления характеризуется большим или меньшим количеством факторов, в той или иной степени оказывающих влияние на свойства покрытия [2]. Качество

160

покрытий характеризуется свойствами, которые схематично изображены на рис. 2.

Рис. 2. Свойства, характеризующие качество покрытия

Научным коллективом авторов было решено рассмотреть вопрос о факторах, влияющих на качество покрытий, в частности на прочность сцепления и равномерность толщины покрытия, с помощью математического моделирования, которое используется в качестве основного методологического подхода при решении технологических задач.

Как видно из рис. 3, в основном свойства покрытий зависят от температуры и скорости частиц в момент их соударения с подложкой. Также значительно влияние на прочность сцепления покрытий и их равномерность оказывают кинематические режимы рис. 3. Например, чтобы уменьшить число периферийных частиц, оказывающих непосредственное влияние на нижний слой покрытия, скорость перемещения плазматрона стоит увеличить.

Следовательно, в методологическом плане при разработке технологии плазменного напыления можно выделить специфические проблемы, характеризующие конкретную деталь и её функциональный слой. В частности, возникает необходимость моделирования математической модели кинематических режимов плазменного напыления, скорости напыляемых частиц и их температуры в плазменной струе для внутренней сферической поверхности полумуфты шарнира равных угловых скоростей.

161

Рис. 3. Схема влияния технологических параметров на показатели качество покрытия

Результаты исследований

В качестве детали-представителя для проведения математического моделирования выступает внутренняя сферическая поверхность полумуфта шарнира равных угловых скоростей рис. 4. Данный способ расчетов является методом построения математической модели и методом её исследования.

162

Рис. 4. Результаты прочностного расчета APM FEM

программы КОМПАС-3D V15.1:

а– модель полумуфты; б – конечно-элементная сетка;

в– суммарное линейное перемещение; г – коэффициент запаса по прочности; д – коэффициент запаса по текучести

Вработе [3] смоделированы условия обеспечения заданной толщины и шага волнистости покрытия в виде системы уравнений, описывающих кинематические режимы напыления:

( ,z)

163

где v – скорость перемещения распылителя относительно напыляемой поверхности, ρ, φ, z – цилиндрические координаты, β

– шаг спирали траектории перемещения центра пятна напыления по поверхности.

Первое уравнение системы (1) определяет скорость перемещения плазматрона, второе – перемещение центра пятна напыления по напыляемой поверхности, а третье – уравнение напыляемой поверхности.

Для определения кинематических режимов напыления внутренней сферической поверхности детали необходимо: произвести математическое моделирование уравнения сферической поверхности, которая будет подвергаться напылению.

Кинематические режимы плазменного напыления, а имен-

но скорость вращения полумуфты d , продольная скорость пе- dt

ремещения плазматрона dz , радиальная скорость перемещения dt

плазматрона d и контурная скорость перемещения плазматро- dt

на sk , в рассматриваемом случае внутренней сферической по-

верхности после моделирования процесса напыления и математических преобразований примут вид:

sk sn

164

где ψ – угол между касательной и образующей тела вращения в текущей точке и осью z; β – шаг спирали траектории перемещения пятна напыления по напыляемой поверхности; n – число оборотов главного привода; s – оборотная подача.

При этом стоит учесть, что число оборотов главного привода определяется выражением [3]:

(2 kz)2 s/(1 tg 2 )

Скорость напыляемых частиц является предметом экспе-

риментального изучения. В связи с этим предлагается аналитический и математический подходы по определению скорости напыляемых частиц.

Скорость порошка определяется [4]:

где ρ – плотность воздуха при соответствующей температуре, кг/м3; ρp – плотность порошка; dp – размер порошка (мкм); x

– расстояние от среза сопла (м); Сх - коэффициент сопротивления. Экспериментально установлено [5], что для частиц с неправильной, но округлой формой, без резких выступов коэффициент лобового сопротивления на стадии установившегося обтека-

ния дозвуковым потоком определяется числом Рейнольдса. Опираясь на экспериментальные работы [5, 6] научным

коллективом авторов была сформирована зависимость числа Рейнольдса и коэффициента сопротивления:

24,4 3) Re 2...30 , то Cx Re0.793 ;

165

Температура напыляемых частиц находилась из уравне-

ния теплообмена частиц порошка с газом. Проведя математическое моделирование процесса нагрева порошка карбида вольфрама, было получено уравнение температуры напыляемых частиц:

где λ – коэффициент теплопроводности Вт/мК; Ср – теплоемкость карбида вольфрама; τ – время движения частиц. Стоит

учитывать, что 2x , а Nu – число Нуссельта при обтекании

Wp

шара, при этом Nu 2 0,03Pr0,33 Re0,51 0,35Pr0,35 Re0,58 [7], где

Pr Cp (число Прандтля).

Приведенные зависимости можно использовать при отработке процесса нанесения плазменного напыления на автоматических установках при напылении сложнопрофильных деталей с внутренней сферической поверхностью.

Смоделированная оптимизация математической модели, дополненная алгоритмом уравнения поверхностей детали, элементарно реализуется в простейших программах. Модель позволяет просчитать кинематические составляющие процесса плазменного напыления, что дает возможность её использования в практических технологических задачах [8].

Выводы. Основываясь на уравнениях геометрической составляющей полумуфты шарнира равных угловых скоростей и её габаритных размерах, были разработаны системы уравнений для поверхности напыления.

166

Опираясь на приведенные ранее зависимости кинематических режимов плазменного напыления, а также уравнения расчета скорости и температуры напыляемых частиц, были смоделированы системы уравнений, которые в перспективе позволят создать программный комплекс для управления процессом напыления сферических поверхностей деталей машин.

Литература

1.Жачкин С.Ю. Применение технологии плазменного напыления для повышения эксплуатационной надежности сельхозмашин [Текст] / С.Ю. Жачкин, Н.А. Пеньков, Г.И. Трифонов // Журнал «Наука в Центральной России Science in the central Russia» ФГБНУ ВНИИТИН. №4 (28), 2017 г.- С.131-136.

2.Ильющенко А.Ф. Процессы формирования газотермических покрытий и их моделирование / А.Ф. Ильющенко, А.И. Шевцов, В.А. Оковитый, Г.Ф. Громыко – Минск: Беларус. навука, 2011. – 357 с.

3.Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления // Учеб. пособие по курсу «Технология конструкций из металлокомпозитов». 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Е. Баумана, 2008. – 360 с.

4.Кудинов В.В., Иванов В.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. – М.: Машиностроение, 1981. – 192 с.

5.Донской А.В., Клубникин В.С. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. – Л.: Машиностроение, 1979. – 221 с.

6.Барвинок В.А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.

7.Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Изд. 5-е перераб. и доп. – М.: Атомиздат, 1979. 416 с.

8.Жачкин С.Ю. Моделирование кинематики плазменного напыления на сложнопрофильные поверхности [Текст] / С.Ю. Жачкин, М.Н. Краснова, Н.А. Пеньков, Г.И. Трифонов // Труды ГОСНИТИ. – 2017. – Т. 128. – С.133-139.

Воронежский государственный технический университет

167

УДК 621.9.047

С.Ю. Жачкин, д-р техн. наук, проф., Н.А. Пеньков, канд. техн. наук, нач. лаб., М.С. Данковцев, магистрант

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГИДРОАППАРАТУРЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИМ

ПОКРЫТИЕМ

В статье представлены материалы исследования наводороживания стальной основы при нанесении гальванических хромовых покрытий методом гальваноконтактного осаждения. Показаны регрессионные уравнения, связывающее параметр наводороживания и шероховатости поверхности с режимными факторами процесса

Ключевые слова: гальваническое покрытие, восстановление деталей, повышение качества

Как известно из литературных источников, выделяющийся при хромировании водород частично растворяется в стали. В результате этого возможно появление водородной хрупкости основного металла. Особенно чувствительны к наводороживанию стали с пределом прочности 800—1000 МПа и выше[1 – 3].

Насыщение водородом основного металла зависит от большого числа факторов: марки стали, степени ее загрязненности неметаллическими включениями, наличия и значений внутренних напряжений и наклепа, структуры, шероховатости поверхности и других [4].

Так, например, при хромировании через сталь марки У8 (диафрагма толщиной 0,3 мм) водорода проходит в три раза больше, чем через сталь марки ЗОХГСНА. Увеличение содержания в низколегированной стали фосфора с 0,002 до 0,039 повышает содержание водорода в стали в два раза. Поглощение водорода разными структурными слагающими углеродистой стали изменяется в широких пределах и составляет, см3/100 г: мартенсит —

6,9; троостит — 15,9; сорбит — 46,5 [4 – 6].

Особенно следует обратить внимание на большое влияние напряженного состояния стали на ее наводороживание. Низкоотпущенная сталь марки ЗОХГСНА с мартенситно-трооститной структурой способна в 10—100 раз увеличить поглощение водо-

168

рода под влиянием внешней деформации. Упругопластическая деформация такой стали повышает содержание водорода в ней в три раза. Предварительный отпуск стали перед хромированием уменьшает содержание водорода в покрытии с 10,1 до 6.75

см3/100 г [1].

Такое разнообразие влияния элементов основного металла, неравномерность распределения водорода в покрытии и в основе, особенности разных методик определения содержания водорода усложняют анализ многочисленных опубликованных данных о наводороживании стали при хромировании и определение закономерностей этого процесса.

Нет установившегося мнения о роли наводороживания во влиянии хромирования на механические свойства основного металла. В связи с этим, были проведены исследования, направленные на выявление особенностей наводороживания стальных поверхностей при хромировании.

Наводороживание основы изучалось на образцах, представленных на рис. 1 или на серийных штоках, представленных на рис 2. Наружный диаметр образцов составлял 22 мм, длина 45-50 мм. Образцы термообрабатывались до в = 1100 -1450 мПа, шлифовались до шероховатости поверхности Ra = 2,5 - 1,25 мкм, затем обезводороживались при температуре 200-220°С. Часть образцов упрочнялась дробеструйной обработкой. Кроме того, отдельная партия образцов термообработке не подвергалась. Серийные штоки проходили стандартные технологические операции перед хромированием.

Рис. 1. Образец

В ходе проведения работы получено линейное уравнение, описывающее зависимость наводороживания от исследуемых факторов:

169