Математическое моделирование оптимального технологического процесса нанесения электроакустических покрытий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Физико-математические науки

УДК 621.961.2

Абашкин Роман Евгеньевич Roman Abashkin

Алтухов Александр

Юрьевич Alexander Altukhov

■ ~

А

Кальченко Андрей Николаевич Andrey Kalchenko

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

MATHEMATICAL MODELLING OF OPTIMUM TECHNOLOGICAL PROCESS OF DRAWING ELECTRO-ACOUSTIC COVERINGS

Рассматриваются вопросы оптимизации процесса электроакустического нанесения покрытий по эрозии электрода методом математического планирования эксперимента с использованием ЛПт-после-довательностей. ЛПт-последовательности использованы для планирования серии из 15 экспериментов при изучении влияния: емкости разряда; напряжения; частоты следования импульсов; удельного времени обработки на коэффициент переноса массы электродного материала. Определены оптимальные режимы названных параметров. Полученные расчетные данные проверены экспериментально

Ключевые слова: исследование, математическое моделирование, эксплуатационные характеристики, микроструктура, оптимальный режим

In this article questions of optimization of electro-acoustic drawing coverings process on an electrode erosion by a method of mathematical planning of experiment with use nn^-sequences are considered. nn^-sequences were used for series planning from 15 experiments when studying influence of: category capacities; tension; frequencies of following of impulses; specific time of processing for coefficient of weight transfer of an electrode material. Optimum modes of these parameters were defined. The obtained settlement data were checked experimentally

Key words: research, mathematical modeling, operational characteristics, microstructure, optimum mode

Электроакустическое нанесение покрытий находит широкое применение для локального восстановления деталей и узлов специального назначения из литых жароп-

рочных сложнолегированных сплавов на никелевой основе.

Выявление резервов электрофизических способов обработки поверхности инс-

трументальных и штамповых материалов и устранение недостатков ЭЛАН является востребованной в различных отраслях машиностроения [1, 3, 5].

В последнее время для восстановления штампов горячего деформирования, изготовленных из жаропрочных сплавов типа ЖС, используются электрофизические способы обработки, в частности, электроакустическое нанесение покрытий [4].

В работе проведена оптимизация процесса ЭЛАН по эрозии электрода методом математического планирования эксперимента с использованием ЛПт-последо-вательностей [2].

Построено поле экспериментального исследования с равномерно распределенными по всем параметрам х1, х2, ... хп узлами, т.е. среди полученных узлов (координат планируемых экспериментов) нет ни одной пары с совпадающими параметрами х., у = I, п . Равномерно распределенный в произвольном п-мерном параллелепипеде ( П) по сторонам, параллельным координатным граням, считается последовательностью

БК(П)=Р1 ..., Р., ...(1<|<М),

для которой выполняется условие

^ (п)

Нш „ , п

N

N

■ = V „

(1)

(2)

где — объем параллелепипеда П.

Наилучшими характеристиками равномерности среди всех известных в настоящее время обладают ЛПт-последова-тельности. Последовательность точек Р1 ..., Р., ...п-мерного куба называется ЛПт-последовательностью, если любой ее двоичный участок, содержащий не менее 2 точек, представляет собой Пт-сетку. Пт-сеткой называется сетка, состоящая из М=2У точек п-мерного куба, если любому двоичному параллелепипеду (Пк) с объемом УПк=2 т/М принадлежат 2т точек сетки (У>т) [5].

ЛПт-последовательности использованы для планирования серии из 15 экспериментов при изучении влияния: емкости разряда (С); напряжения (и); частоты следования импульсов (V); удельного времени обработки ( т) на коэффициент переноса

массы электродного материала. Благодаря данной методике, использованной при планировании поля экспериментального исследования, удалось существенно сократить дальнейшие исследования для получения режимов процесса ЭЛАН, оптимального с точки зрения максимальной эрозии электродного материала (С=30 мкФ, и=50 В, т=90 с/см2, v=1,37 кГц — режим I). Далее проведена коррекция этого режима с учетом адгезионной прочности и жаростойкости, которые существенно определяют свойства композита в целом.

Эксплуатационные характеристики — адгезионная прочность и жаростойкость были выбраны вероятно статистическим методом планирования экстремальных экспериментов путем парных сравнений при априорном ранжировании.

В связи с тем, что технология ЭЛАН является многофакторным процессом, для выбора основных факторов, влияющих на адгезионную прочность и жаростойкость, использовали метод априорного ранжирования посредством анкетирования пяти специалистов. Каждому фактору соответствовал свой ранг опроса. По результатам анкетирования получены две таблицы.

Важность факторов во второй таблице оценивалась видом «связанных рангов». Итоговая ранжировка факторов проверялась сравнением таблиц, которая подтвердила их адекватность [6].

Ввиду недостаточной изученности процессов формирования электроакустических покрытий на жаропрочные никелевые сплавы и большого числа входных технологических факторов использовали ротабель-ное центральное композиционное планирование (РЦКЛ). При ЭЛАН использовали режим (I), соответствующий центральным точкам для 4-факторного эксперимента.

При реализации матрицы РЦКП и соответствующей обработке результатов получены уравнения регрессии математических моделей для адгезионной прочности (У1) и жаростойкости (У2), адекватно описывающие процесс электроакустического напыления с доверительной вероятностью 0,95:

У1=0,04107+0,01130Х1+0,01269Х4-0,00592Х12 (3)

У2=34,60+9,50Х1 -1,83Х2+11,65Х4+5,28Х1Х3+3,41Х1Х4+

^2 ■ ■

+2,97Х3Х4-4,22Х12-3,74Х22+2,03Х42, (4)

где Х1 — емкость разряда (С);

Х2 — напряжение (и);

Х3 — время обработки (т);

Х4 — частота следования импульсов (£).

Сравнение полученных уравнений показывает, что жаростойкость является более зависимой эксплуатационной характеристикой, так как все введенные технологические факторы в нем оказались значимыми.

Экспериментальные значения параметров оптимизации определялись методом крутого восхождения.

Таким образом, по данным регрессионного анализа, оптимальным режимом ЭЛАН для данного композита является: С=10 мкФ; и=55 В; т=95 с/см2 и £=1,40 кГц — (режим II).

С учетом сказанного были нанесены покрытия по режимам (I) и (II). Для режима (II) жаростойкость увеличилась

в 0,3...0,35, а адгезионная прочность в 0,1.. .0,15 раза соответственно.

Далее приводятся сведения по микроструктуре электроакустических покрытий на литейном жаропрочном сплаве ЭП202 (см. рисунок). Исследованы покрытия, полученные электродом из сплава ЖСЗДК с добавками 0,5 % Dy и 0,1 % Ш. Покрытия наносились на установке «ЭЛАН-3» на оптимальном режиме II. Структура композита ( металлографически изучался косой срез) состоит из трех зон. Покрытие представляет собой многослойную двух-трех-фазную структуру, состоящую из темной фазы, в которую внедрены слоистые белые фазы, и включений различной формы. Слоистое строение обусловлено импульсным нанесением частиц покрытия и остыванием каждого нанесенного слоя за время до нанесения следующего слоя.

Микроструктура электроакустического покрытия из электрода ЖС3Д с 0,5 % Ъу и 0,1 % Н на подложке из литого сплава ЭП 202: а (х240); б (х600) - косой срез; в (х200) - с поверхности

Вторая (переходная зона) состоит из округлых частиц с мелкозеренным внутренним строением, ориентированных преимущественно перпендикулярно подложке. Образование этой зоны обусловлено наклепом поверхности материала и процессами рекристаллизации в нем под воздействием

тепла частиц. Кроме того, ультразвуковое упрочнение приводит к изменению тонкой кристаллической структуры поверхностного слоя (переходной зоны), которая находит свое выражение в высокой степени дисперсности блоков когерентного рассеяния.

Энергетическая неоднородность поверхностного слоя предопределяет взаимодействие покрытия с основой предпочтительно в областях с минимальной энергией, являющихся местами схватывания, а именно в местах выхода дислокаций на поверхность. Продольно-крутильные ультразвуковые колебания (УЗК), воздействуя на обрабатываемую поверхность как удар со сдвигом, повышают число выхода дислокаций на поверхность, что приводит к увеличению очагов схватывания.

Третья зона (подложка), представляющая сплав ЭП202, мало изменяется. Рентгеноструктурный фазовый анализ выявил в покрытии те же основные фазы, что и в материале подложки. Кроме них выявлены слабые линии, характеризующие наличие в поверхности покрытия шпинелей.

Далее приводятся сведения о характере разрушения композита. Приведено исследование внутренних напряжений по толщине покрытия. В переходной зоне покрытия имеют место сжимающие напряжения, которые с увеличением толщины переходят в растягивающие.

Толщина покрытия в оптимальном режиме ЭЛАН составляет 150... 170 мкм, при пористости ~0,95. Мягкий энергетический режим ЭЛАН уменьшает плотность покрытия.

Экспериментально установлено, что разрушение композита происходит в зоне покрытия с наименьшими внутренними напряжениями на расстоянии 30...50 мкм вглубь покрытия от поверхности подложки. Разрушение в основном хрупкое — межчастичное; в то же время в зоне отрыва обнаружены очаги смешанного разрушения — внутри частиц.

Литература

1. Гадалов В.Н. О применении электроакустического способа получения покрытий из высокохромистых никелевых сплавов // Материалы и упрочняющие технологии — 94: тез. и матер. докл. Российской научн.-техн. конф. Курск, 1994. С. 5-6.

2. Гадалов В.Н., Серебровский В.И., Поздняков М.В.Оптимизация технологии электроакустического способа нанесения покрытий из жаропрочных никелевых сплавов путем математического моделирования // «Распознавание — 2001»: сб. матер. V междунар. конф. Курск. 2001. Ч. 2. С.352-354.

3. Гадалов В.Н., Абашкин Р.Е., Балабаева Е.Ф. [и др.] Электроакустическое нанесение покрытий, прогрессивная технология упрочнения и восстановления деталей машин и инструмента // Материалы и упрочняющие технологии — 2008. Курск: КГТУ. 2008. Ч. 1. С. 48-61.

4. Гадалов В.Н., Романенко Д.Н., Болдырев Ю.В. [и др.] Применение электроакустического напыления для упрочнения и восстановления деталей машин // Сварка и родственные процессы в промышленности: докл. II научн.-техн. сем. Киев: Сварщик. 2007. С. 69-75.

5. Гадалов В.Н., Емельянов С.Г. Новые материалы, прогрессивные ресурсосберегающие технологии в машиностроении // Материалы и упрочняющие технологии — 2008: сб. матер. XV Рос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. Курск, 2008. Ч. 1. С. 9-26.

6. Кулешова Е.А., Глезер Г.М., Петрушин Н.В. Влияние параметров структуры на служебные характеристики литейных высокожаропрочных никелевых сплавов // Научные идеи С.Т. Кишкина и современное материаловедение. Сб.: ВИАМ. 2006. С. 200-211.

Коротко об авторах_

Абашкин Р. Е., канд. техн. наук, доцент, каф. «Машиностроительные технологии и оборудование», Юго-Западный государственный университет [email protected]

Научные интересы: жаростойкие сплавы, жаропрочные сплавы, самовосстанавливающиеся покрытия, керамические покрытия

Алтухов А.Ю., канд. техн. наук, преподаватель, каф. «Машиностроительные технологии и оборудование», Юго-Западный государственный университет

[email protected]

Научные интересы: повышение эффективности производства и ремонта изделий машиностроительного назначения применением прогрессивных способов восстановления и механической обработки

Кальченко А.Н., соискатель, преподаватель, каф. «Машиностроительные технологии и оборудование», Юго-Западный государственный университет Тел. 8-951-076-56-56

Научные интересы: восстановление тактико-технических характеристик автомобильных двигателей внутреннего сгорания

_Briefly about the authors

R. Abashkin, Candidate of Engineering Sciences, associate professor, Machine-building technologies and

equipment department, South-Western State University

Scientific interests: heat-resistant alloys, heat resisting alloys, self-repairing coverings, ceramic coverings

А. Altukhov, Candidate of Engineering Sciences, professor, Machine-building technologies and equipment department, South-Western State University

Scientific interests: increase of production efficiency and repair of machine-building appointment products by application of progressive ways of restoration and machini

А. Kalchenko, applicant, lecturer, Machine-building technologies and equipment department, South-Western state University

Scientific interests: restoration of tactical technical characteristics of automobile internal combustion engine