CC BY
94
УДК 621.771.06:621.892 Платов С.И., Дема P.P., Зотов А.В.
МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ТОЛЩИНЫ ПЛАКИРОВАННОГО СЛОЯ НА ДЕТАЛЯХ ПАР ТРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ*
Аннотация. Надежность и долговечность технологического оборудования во многом зависит от состояния поверхностных слоев деталей пар трения. В данной работе предложена модель формирования толщины покрытия при обработке деталей пар трения деформационным плакированием гибким инструментом. Полученная модель позволяет назначать оптимальные режимы обработки и параметры плакирующего инструмента для получения качественного слоя покрытия необходимой толщины.
Ключевые слова: плакирование, микрошлиф, металлическая щетка, технологическое оборудование.
Platov S.I., Dema R.R., Zotov A.V.
MODEL OF THE FORMATION THICKNESS CLAD LAYER FOR FRICTION PAIRS OF PROCESS EQUIPMENT
Abstract. Reliability and durability of the process equipment in many respects depends on the state of the surface layers of friction pairs. In this paper we propose a model for the formation of the coating thickness in the processing of friction pairs cladding deformation flexible. The resulting model allows us to assign the optimum cutting data and parameters of plating tool to get a good coat desired thickness.
Keywords: cladding, microsection, metal brush, of technological equipment.
Своевременный и качественный ремонт технологического оборудования играет важную роль в непрерывности процесса производства продукции машиностроения. Надежность технологического оборудования во многом зависит от качества поверхностного слоя деталей пар трения динамических систем данного оборудования. С целью повышения качества ремонта и сокращения затрат на его производство предлагается использовать новый экономичный и высокопроизводительный способ обработки поверхностей деформационным плакированием гибким инструментом (ДПГИ). Кроме защитных функций, плакирование позволяет осуществлять восстановление изношенных поверхностей без затрат на изготовление новых деталей [1-3].
Основа способа ДПГИ - явления, возникающие при переносе материала покрытия с донора на обрабатываемую поверхность. Единичная ворсинка в процессе удара и скольжения по донору вызывает появление предельной сдвиговой деформации в поверхности, при которой материал в очаге деформации переходит в сильно возбужденное аморфизиро-ванное состояние, эквивалентное состоянию металла при температуре плавления [4]. В результате адгезии аморфизированного металла на торцевой ювенильной поверхности гибких элементов образуется микрообъем материала донора в виде полусферической частицы, обладающей минимальной поверхностной энергией, которая транспортируется к поверхности детали.
Нашему анализу подверглись микрошлифы ворсинки с захваченной частицей плакирующего матери-
* Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы. Мероприятие 1.4.
ала (рис. 1). Как видно, материал частицы покрытия представляет собой полусферу.
Рис. 1. Микрошлиф ворсинки с частицей материала покрытия
Металлы и сплавы, обладающие небольшим деформационным упрочнением, такие как алюминий, некоторые медные сплавы деформируются с большей интенсивностью, чем высокоупрочняемые металлы, поэтому, контактируя с поверхностью ворсинки, материал покрытия быстрее переходит в локально сильно возбужденное (СВ) состояние, на торцевой поверхности ворсинки формируется частица большего объема, и покрытие растет быстрее. После выхода из зацепления гибкого элемента с донором в материале частицы происходит обратный фазовый переход в кристаллическое состояние [4].
Механизм формирования покрытия с определенными допущениями можно представить следующим образом: при входе ворса в зону контакта полусферическая частица ударяется о поверхность и движется по ней следом за гибким элементом. В процессе трения обнажаются ювенильные поверхности частицы и
детали, между ними происходит схватывание и, в результате, образование металлической связи.
При математическом моделировании процесса плакирования сделаем следующие допущения:
- частица плакирующего металла, переносимая ворсинкой, имеет форму полусферы с радиусом Я=ёв, где ёв - диаметр ворсинки (рис. 2);
- температура частицы равна 0,7-0.8 температуры плавления материала покрытия;
- разрушение частицы происходит под углом ¥, который находится из условия разрушения капли нормальными и касательными напряжениями, возникающими в плоскости ¥;
- скорость перемещения ворса по длине контакта с обрабатываемой поверхностью постоянная;
- шероховатость обработанной поверхности определяется величиной пластического оттеснения микровыступов.
Рис. 2. Схема нанесения частицы покрытия на поверхность
Таким образом, в предлагаемой модели частица материала покрытия, переносимая гибким элементом при взаимодействии с обрабатываемой поверхностью, делится на 3 объема: V\ (материал покрытия заполняет неровности поверхности), V2 (объем капли, уходящий в стружку) и Vз (объем капли, уходящий в рост толщины покрытия). При этом необходимо отметить следующий факт. При продолжительном обрабатывании деталей происходит их разогрев, вследствие чего нанесенный слой покрытия срезается гибкими элементами и происходит нежелательный процесс «отдачи» плакирующего материала деталью.
Предлагаемая модель формирования слоя покрытия основывается на возможности захвата торцом ворсинки шарового сегмента, который находится из решения известных уравнений Дюпре и равновесия сил поверхностного натяжения.
Высота сегмента, мм:
= у • [(соз(90° -©))-' - tg(900 -©)], (1)
где йв - диаметр ворсинки, мм; 0 - угол смачивания, град.
Объем частицы материала покрытия на торце гибкого элемента, мм3:
0 12 • cos2(900 -0) (2)
X [cos(900 -0) - tg(90° -0)].
Объем частицы, остающийся на поверхности детали, мм3:
п • ds
12• cos2(900 -0 + У)
(3)
X[cos-1 (900 -0 + У) - tg(900 - 0 + У)].
Объем, заполняющий микровыступы поверхности
детали, мм3
п- dz
V =—
шерох 12• cos2(900 -© + р) (4)
x^cos_1(900 -0 + ^)-tg(900 -0 + ^)],
где (р - угол входа ворсинки в контакт, град;
При моделировании геометрических и силовых параметров взаимодействия «гибкий инструмент -заготовка» на входе ворса в контакт ((р) воспользуемся моделью [2], а на участке скольжения ворса по поверхности изделия - методикой [6].
у/ - угол, характеризующий условие разрушения. Для угла (// можно записать:
do
dy
= 0 при о > о л
(5)
где О - расчетные напряжения в рассматриваемом объеме материала покрытия; ъм - предельные напряжения, возникающие в рассматриваемом объеме переносимого покрытия, при соблюдении граничных условий, что температура частицы равна 0,7-0.8 температуры плавления материала. При выполнении расчета принималось, что ам « ат , где ст - предел текучести материала покрытия, МПа.
Объем частицы, уходящий в рост толщины покрытия, мм3:
V = V - V
покр полезн шерох
(6)
Таким образом, толщина нанесенного слоя покрытия, мм:
H =
V„mp ■n■ p-Т S
(7)
где p - количество гибких элементов в щетке, шт., определяется:
p = i • 2-ж-0.1 • R • u , (7.1)
3
где 1 - плотность упаковки, шт./см2; Я - радиус щетки, мм; и - ширина щетки, см; S - площадь обрабатываемой поверхности детали, мм2:
5 = 2-я- гд • ¡д, (7.2)
где ¡д - длина детали, мм; п - частота вращения инструмента, об/мин:
п =------60. (7.3)
2-я
т - время обработки площади детали, равной 1 см2.
Анализ уравнения (6) показывает линейный характер представляемой модели. Многочисленные исследования способа ДПГИ [1-5] позволяют сделать предположение о том, что рост толщины покрытия (Ьп) можно представить согласно графику на рис. 3.
Рис. 3. Стадии процесса плакирования: Т0 - время обработки, при котором происходит подготовка поверхности к нанесению покрытия;
Тнанеспокр - процесс НЭНеСеНИЯ ПОКрЫТИЯ, При КОТОрОМ формируется максимальная толщина hn max;
т нас - участок насыщения, при котором наступает насыщение и наблюдается уменьшение толщины
Для определения граничных условий роста модели (6)-(7) толщины покрытия был реализован четырехфакторный эксперимент, поставленный по плану Бокса-Бенкина [7], целью которого было определить [hn max].
В качестве варьируемых факторов были выбраны: натяг N плакирующего инструмента к обрабатываемой поверхности (Х1); диаметр ворса dB инструмента (Х2); отношение угловых скоростей вращения ®/®ч обрабатываемого образца и гибкого инструмента (Х3); отношение длины вылета ворса к радиусу его заделки l/r3 (Х4). Параметром оптимизации служила h толщина получаемого покрытия в мкм.
Уровни варьирования выбранных факторов указаны в таблице.
Уровни варьирования факторов
Факторы Натяг N, мм Диаметр ворса dв, мм Отношение угловых скоростей ша/шщ Отношение длины ворса к радиусу заделки 1/гз
X! Х2 Х3 Х4
Основной уровень (Хю) 1 0,18 0,00225 0,35
Интервалы варьирования ИХ 0,5 0,04 0,00125 0,1
Верхний уровень {Х=+1) 1,5 0,22 0,0035 0,45
Нижний уровень (Х=+1) 0,5 0,14 0,001 0,25
Эксперимент проводился на переоборудованном токарном станке, на суппорте которого была установлена плакирующая установка. В качестве материала покрытия использовалась бронза БрОЦС5-5-5, элемент материала покрытия которой прижимался к инструменту с усилием в 20 Н. В качестве экспериментальных образцов использовались диски СЧ 21-40 (НВ 180-190) диаметром 45 мм. Опыты не дублировали, поскольку центральный опыт повторяли трижды.
Для измерения толщины покрытия использовали толщиномер QuaNix 4500 (в электромагнитном режиме работы) с погрешностью - 2% и минимальным радиусом измерения - 5 мм. На каж-< дом образце проводили порядка 25 замеров, среднее значение которых и шло в окончательный анализ толщины сформированных покрытий.
Обработка данных эксперимента позволила получить уравнение регрессии для толщины нанесенных покрытий:
И = 5,733 - 2,992 • х2 -1,325 • х3 + +2,3- х1 • х2 + 0,9- х2 • х3 --1,575 • х2 • х4 -1,004 • х12 + 2,946 • х^ --0,804 • х32 -1,504 • х42,
где хг - коэффициент перехода от кодированных величин к натуральным [4].
Проверка модели по критерию Фишера при 5% уровне значимости подтвердила ее адекватность. При проверке модели учитывали то обстоятельство, что один опыт плана трижды дублировали.
Анализ уравнения регрессии показывает, что наибольшее влияние на формирование толщины покрытия оказывают: диаметр ворса ¿в инструмента и отношение длины вылета ворса к радиусу его заделки ¡/т3. На рис. 4 приведена зависимость толщины покрытия от этих параметров.
Рис. 4. Зависимость толщины покрытия
при N = 1 мм; Ыд/Ыщ = 0,00225
Для оценки адекватности разработанной модели (6)-(7) с учетом (8) была произведена практическая реализация полученных результатов. В лаборатории МГТУ им. Г.И. Носова была произведена обработка плунжера гидравлического цилиндра пресса, поверхность которого была изношена на величину 7 мкм. С учетом технологических особенностей эксплуатации плунжера необходимо сформировать антифрикционное покрытие толщиной Ип =15 мкм. По разработанной модели были подобраны соответствующие режимы обработки (рис. 5): N = 1,5 мм; ющ = 75 с"1;
юд = 0,175 с-1; параметры инструмента^ = 50 мм;
(¡в = 0,18 мм.
Рис. 5. Зависимость толщины покрытия от режимов обработки
Плакирование производилось на переоборудованном круглошлифовальном станке, на котором вместо камня была установлена металлическая щетка диаметром 400 мм. Снимки плунжера до обработки и после показаны соответственно на рис. 6 и 7.
Толщина сформированного покрытия (см. рис. 7) составила 14,8-16,2. Таким образом, адекватность предложенной модели составляет 3-5%.
В результате, эксплуатационные режимы работы пары трения «плунжер - цилиндр» гидравлического пресса вышли на оптимальные показатели, а за счет нанесения бронзы стабилизировались силы
трения в контакте.
Рис. 6. Плунжер пресса до обработки
Рис. 7. Плунжер, плакированный БрОЦС5-5-5
Таким образом, полученная модель позволяет
назначать оптимальные режимы обработки и пара -
метры плакирующего инструмента для получения
качественного слоя покрытия необходимой толщины.
Список литературы
1. Расширение технологических возможностей метода плакирования гибким инструментом / В.И. Кадошнков, В.П. Анцупов, P.P. Дема и др. // Вестник машиностроения. 2003. №10. С. 64-67.
2. Анцупов В.П. Теория и практика плакирования изделий гибким инструментов. Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 1999. 241 с.
3. Повышение надежности и долговечности механического оборудования методом плакирования гибким инструментом / В.И. Кадошников, С.И.Платов, В.П. Анцупов и др. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. №6. С. 31-33.
4. Завалищин А.Н., Смирнов О.М., Тулупов С.А. Модификация поверхности металлических изделий с использованием покрытия. М.: Орби-та-М, 2012. 336 с.
5. Завалищин А.Н. Механизм образования покрытий, сформированных во фрикционном контакте // Трение и износ. 2001. Т. 22. № 2. С. 197.
6. Зотов А.В. Методика расчета геометрических и силовых параметров зоны контакта при плакировании изделий гибким инструментом // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2012. № 3. С. 85-88.
7. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение, 1980. 304 с.
References
1. Kadoshnkov V.I. Antsupov V.P., Dema R.R. etc. The expansion of technological possibilities of the cladding flexible instrument for // Journal of Engineering. 2003. №10. Pp. 64-67.
2. Antsupov V.P. Theory and practice of cladding products flexible in-strumentov. Magnitogorsk: MSTU. GI Nosov, 1999. 241 P.
3. Kadoshnikov V.I., Platov S.I., Antsupov V.P. and so increase the reliability and durability of the mechanical equipment and the method of cladding flexible tool // strengthening technology and the coating 2007. № 6. Pp. 31-33.
4. Zavalishchin A.N., Smirnov O.M., Sheepskins S. Modification of the surface of metal products using the coating. M. Orbit-M, 2012, 336 p.
5. Zavalishchin A.N. Mechanism of formation of coatings formed in frictional contact. Friction and wear. 2001. T. 22. Number 2. S. 197.
6. Zotov A.V. The method of calculation of geometric and strength parameters of the contact with cladding products flexible tool // The vector science of Togliatti State University. 2012. Number 3. Pp. 85-88.
7. Novick F.S., Arsov J.B. Process optimization technology metals by DOE -Mashinostroenie, 1980. 304.
