CC BY
13
УДК 621.793.72:519.6
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Ю.П.Земсков, Ю.С.Ткаченко
Представлены результаты оптимизации режимов тлеющего разряда для дальнейшего нанесения защитного покрытия
Ключевые слова: поверхность, электродуговой разряд, оценка качества подготовленной поверхности, защитное покрытие, оптимальные технологические режимы, математическая модель
Одним из известных методов электрофизическойобработки металлической поверхности изделий является электродуговая обработка, сущность которой заключается в горении электрической дуги, возбуждаемой между изделием и дополнительно
установленным электродом для удаления окисных пленок и различных загрязнений с целью повышения адгезии при нанесении защитного покрытия [1-4]. В работе [5] было показано, что применение тлеющего разряда при обработке металлической поверхности способствует двухкратному увеличению прочности сцепления покрытия с основой. Это достигается за счет удаления окисных пленок, а также подогрева обрабатываемой поверхности.
Целью настоящих исследований является определение оценки подготовки поверхности тлеющим разрядом перед нанесением защитного покрытия.
В задачу исследований входило определение влияния технологических параметров обработки на качество подготовленной поверхности и разработку математической модели, отражающей влияние основных факторов процесса на эффективность очистки металлическойповерхности,
установление технологических режимов, приводящих к максимальной очистке поверхности от окисных пленок.
В качестве параметра оценки эффективности обработки металлической поверхности был определен угол краевого смачивания 0° = У [6].
По результатам экспериментов были получены зависимости краевого угла смачивания от внешних параметров процесса обработки тлеющим разрядом: плотность тока;
время обработки; давление вакуума; напряжение; расстояние между электродами, которые представлены на рис.1-5.
50 -------
; о
0,12 0.25 0,5 1 1.5 2 2.5
Плотностьюка мА/см2
Рис. 1. Зависимость краевого угла смачивания от плотности тока
Из рис. 1 и 2 видно, что величина краевого угла смачивания уменьшается при изменении (увеличении или уменьшении)
технологических режимов в допускаемых пределах.
Оптимальная область изменения плотности тока находится в пределах 1,0...2,0 мА/см2. Однако при плотности тока более 1,8мА/см2 из-за нагрева обрабатываемой поверхности начинают проходить процессы окисления и результирующий эффект удаления окисных пленок уменьшается (рис.1).
Аналогичная зависимость наблюдается при изменении интервалов времени обработки (рис.2).
Земсков Юрий Петрович - ВГУИТ, канд.техн.наук,доцент, e-mail: regant2006@mail.ru Ткаченко Юрий Сергеевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел.8-473-246-19-77
камеры, геометриеи и расположением дополнительного электрода.
На рис.4 показана зависимость напряжения от времени обработки.
Время обработки^ с
Рис. 2. Зависимость краевого угла смачивания от времени обработки
После 120 секунд обработки угол смачивания практически не изменялся. Это объясняется процессами распыления электрода тлеющего разряда и частичным загрязнением обрабатываемой поверхности.
Влияние давления в вакуумной камере на угол смачивания имеет линейную зависимость
(рис.3).
-3 -1 -1
Давление в камере 1§ Р. Па Рис.3. Зависимость краевого угла смачивания от давления в камере
Наиболее оптимальным значением является давление в области 10...13 Па.
Это, в свою очередь, положительно сказывается на экономичности процесса очистки. Выбор остаточного давления в камере в значительной мере определяется конструктивными особенностями вакуумной
900 1100
Напряженке 11: В Рис. 4. Зависимость напряжения от времени обработки
Изменение напряжения разряда при плотностях тока 1,0.1,5 мА/см2 незначительно влияет на эффективность очистки. Однако следует отметить, что с повышением напряжения разряда энергия ионов, бомбардирующих поверхность, увеличивается, а минимальное время обработки уменьшается (рис. 4). Кроме того, увеличенное напряжение разряда и минимальное время его действия приводят к интенсивному нагреву металлической поверхности. Это может оказывать двойное воздействие. С одной стороны, предварительно подогретая металлическая подложка будет способствовать увеличению адгезии защитного покрытия, а с другой стороны, минимальное время обработки при этом недостаточно для качественной очистки металлической подложки от окислов.
Зависимость краевого угла смачивания от расстояния между электродами показана на рис. 5.
При малых значениях межэлектродного расстояния в значительной мере интенсифицируются тепловые процессы на обрабатываемой поверхности, что снижает эффективность очистки.
Незначительное увеличение краевого угла смачивания при расстоянии между электродами более 8 мм связано с ослаблением частоты бомбардировки ионами обрабатываемой поверхности. Оптимальной областью изменения межэлектродного расстояния является 8.10 мм.
Рис. 5. Зависимость краевого угла смачивания от расстояния между электродами
Увеличение энергетических параметров (плотности тока и напряжения) приводит к увеличению бомбардирующих
обрабатываемуюповерхностьионов, что
способствует эффективному разрушению окисных пленок. К такому же эффекту приводят увеличение времени бомбардировки, снижение давления (вакуум) при дистанции между электродами в диапазоне 4.8 мм.
На основании полученных зависимостей было осуществлено планирование
эксперимента для выбора оптимальных режимов обработки и получена адекватная математическая модель.
Были определены значения факторов и уровни варьирования процесса обработки тлеющим разрядом.
Так, в кодированном виде варьирование параметров составило:
• плотность тока (Х) от 1,25 до 0,75 А/см2;
• давление в камере (Х2) от 5,1 до 0,1 Па;
• напряжение (Х3) от 1000 до 600 В;
• время обработки (Х4) от 120 до 60 мин;
• расстояние между электродами (Х5)от 10 до 6 мм.
На первом этапе исследования в качестве плана эксперимента была принята полуреплика (25-1) от полного факторного эксперимента 25, который позволяет получить раздельные оценки для коэффициентов уравнения регрессии. Полурепликазадана генерирующим соотношением Х1Х2Х3Х4Х5 = 1.
После обработки матрицы эксперимента было получено уравнение регрессии следующего вида:
У = 26,1875 - 6,3125 Х1 - 2,3125 Х2 -
- 0,9375 Х4 + 1,1875 Х5 + 1,0625 Х1Х.-
- 1,1875ХХ5 - 0,9375ХХ4. (1)
Однако разность между
значениемпараметра оптимизации (У=0°) в центре плана и величиной свободного члена превышала ошибку эксперимента и, следовательно, коэффициенты при
квадратичных членах значительно отличаются от нуля, а исследуемая зависимость не может быть с достаточной точностью аппроксимирована полиномом первой степени.
В связи с этим возникла необходимость перейти к планированию второго порядка и аппроксимированию неизвестной функции отклика полиномом вида
У = ъ0 + ]Уъгхг + ^£ьгхгх] + ^ьх,
1<г< ]
i=1
i=1
при i = ].
(2)
С этой целью был поставлен эксперимент по программе центрального композиционного рототабельного плана второго порядка. В этом случае величина звездного плеча равнялась двум. Реализованные шестнадцать опытов были дополнены еще десятью опытами в звездных точках и шестью опытами в центре плана.
После математической обработки матрицы планирования при 5%-м уровне значимости коэффициентов полинома было получено уравнение регрессии
У=15,88-5,3 75Х1-1,79Х2-1,21Х4+1,3 7Х5+ + 1,07Х1Х4-1,20Х1Х5+1,45Х12+2,59Х22+
(3)
+2,34Х32+1,83 Х42+2,59Х52
Выбранная модель полинома проверена на адекватность по критерию Фишера, расчетное значение которого составило 3,1844 при дисперсии воспроизводимости и адекватности соответственно 2,1354 и 6,80. Табличное значение критерия Фишера при достоверности 0,95 равно 4,65. Условие Рр<Рт указывает на адекватность модели полученного полинома.
Результаты экстремальных опытов показали хорошую сходимость экспериментов с выбранной моделью процесса обработки поверхности тлеющим разрядом.
Методом экстремального планирования была получена математическая зависимость
краевого угла смачивания от факторов процесса обработки (технологических режимов). Максимальная степень очистки поверхности от окисных пленок, под которой понимается минимальное значение угла смачивания, достигается
приоптимальныхрежимах обработки
металлической поверхности изделиятлеющим разрядом, которые составили:
• плотность тока - 1,5 мА/см2;
• напряжение разряда - 800 В;
• давлениегазовой среды - 3,5 Па;
• время обработки - 90 с;
• расстояние между электродами -8 мм
Таким образом, в результате планирования эксперимента, позволившего установить зависимость краевого угла смачивания как косвенного показателя качества
подготовленной металлической поверхности (отсутствие окислов), было получено его оптимальное значениеравное10,1±1,5°, при котором предполагается максимальная адгезия защитного покрытия с основным металлом подложки за счет сокращения окислов на поверхности металлической основы.
Литература
1. Сысолятин, А. А. Повышение качества поверхности металлоизделий при плазменно-дуговой обработке [Текст]: дисс. .канд. техн. наук. / А. А. Сысолятин.-Волгодонск:Новочеркасс. гос. техн. ун-т, Волгодонский ин-т, 1998. - 184 с.
2. Миронов, Ю. М. Электрическая дуга в электротехнологических установках[Текст]: монография / Ю. М. Миронов. - Чебоксары: Изд. Чуваш.ун-та, 2013. - 290 с.
3. Раховский, В. И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме [Текст]: учебник/В. И. Раховский.-М.: Наука, 1970. - 250 с.
4. Пат.№ 2.145.643 РФ С23С 14/02. Способ обработки поверхности изделия дуговым разрядом вакууме и устройство его осуществления [Текст]/ Сидоров И.П., Антипов Б.Ф., Сенокосов Е.С., Сенокосов А.Е., Дикарев В.И.; заявители и патентообладатели: Сидоров Игорь Петрович,Антипов Борис Федорович,Сенокосов Евгений
Степанович,Сенокосов Андрей Евгеньевич,Дикарев Виктор Иванович. -№2145643; заявл.07.06.1998; опубл. 20.02.2000.
5. Применение тлеющего разряда в технологии получения плазменных покрытий [Текст]/С.Р. Пустотина, Л. К.Глухова,Н. Н. Новиков, Е. П. Тихоненко // Электронная обработка материалов. - 1982. - №4. - С.20 - 23.
6. Ройх, И.Л. Защитные покрытия на стали [Текст]: учебник/ Л. И. Ройх,Л.Н.Колтунова.- М.: Машиностроение, 1971. - 280 с.
Воронежский государственный университет инженерных технологий Воронежский государственный технический университет
MODEOPTIMIZATIONPHYSICOTECHNICALTREATINGMETALSURFACES
Yu.P. Zemskov, Yu.S. Tkachenko
The results of optimization of the glow discharge for futher protective coating
Key words: surface, arc discharge, evaluation of the quality of the prepared surface, the protective coating, the optimum process conditions, a mathematical model
