CC BY
0
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА НАПЛАВЛЯЕМЫХ ПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ СТРЕЛЬЧАТЫХ ЛАП
КУЛЬТИВАТОРА Кончин Владимир Алексеевич, аспирант (konchin98@mail.ru)
Курская государственный аграрный университет имени И.И. Иванова
В данной статье представлены порошковые композиции для реновации стрельчатых лап. Проведена факторная обработка данных, оптимизирован процесс наплавки.
Ключевые слова: электроэрозионная шихта, ЭЭШ, твердосплавные пластины, сплав Т30К4, плазменное покрытие, стрельчатая лапа.
Одним из определяющих критериев для получения износостойкого покрытия является твердость детали.
Поэтому задача постановки полного факторного эксперимента сводилась к определению оптимальных параметров работы плазмотрона и установлению твердости для заготовки в пределах варьирования 60-67 ИЯС. Для достижения оптимальных показателей и должных физико-механических свойств требовалось проведение постановки полного факторного эксперимента [1-5].
Определение оптимальных параметров работы установки проводили методом полного факторного эксперимента (ПФЭ) по твердости. В качестве факторов были выбраны: сила тока, скорость наплавки, концентрация шихты (порошка).
В качестве заготовки использовалась стрельчатая лапа Ьешкеп 400.
Была составлена матрица планирования эксперимента выбраны уровни и интервалы варьирования.
Математической задачей планирования эксперимента является получение некоторого представления о поверхности отклика факторов, которое в общем случае аналитически можно записать в виде функции
¥=1'(хьх2,хз...,хп ^ (1)
где У - выход процесса (параметр, подлежащий изучению и оптимизации);
хьх2,х3...,хп — известные переменные факторы, варьируемые при постановке эксперимента.
Результаты эксперимента чаще всего выражаются математической моделью в виде полинома, который является отрезком ряда Тейлора
п п п
У=Ьо+ ^ Ь -х1+ ^ Ьу -х^ Ьи •х?, (2)
^0
1=1 1< 1=1
где Ь0, Ьр Ьу, Ьд- коэффициенты регрессии; п - количество факторов;
i - порядковый номер фактора (столбца матрицы).
В настоящее время разработаны специальные планы эксперимента, которые позволяют найти численные значения всех коэффициентов регрессии и оценить ошибки эксперимента.
На основании результатов отсеивающих опытов для основной серии эксперимента было оставлено три фактора, которым было присвоено новое обозначение.
После изучения объекта исследования и его физической сущности возникает ряд представлений о действии различных факторов и необходимость получить экспериментальные данные об их совокупном влиянии на какой-либо показатель (отклик), характеризующий объект исследования [6-9].
Применение современных статистических методов планирования многофакторных экспериментов позволяет выделить наиболее активные факторы и не исследовать факторы, оказывающие незначительное влияние на объект исследования. Многофакторное планирование дает возможность активно участвовать в исследуемом процессе и в значительной мере упрощает задачу отыскания оптимальных условий его протекания. Вследствие специально разработанных планов эксперимента нахождение математической модели исследуемого процесса не требует сложных математических расчетов.
Для определения звездных значений факторов, с помощью программы SigmaPlot v. 11.0 проведена реализация опытов, в результате получена матрица.
Поскольку согласно предварительным исследованиям функции отклика должны быть нелинейными, то факторы имели три уровня варьирования.
Факторами были выбраны: сила тока, I; скорость наплавки, V, и концентрация порошка ^ %. Результирующей функцией выбрана Y_1.
Поскольку согласно предварительным исследованиям функции отклика должны быть нелинейными, то факторы имели три уровня варьирования (табл. 1).
Таблица 1 - Факторы и уровни варьирования
Факторы I, А V, м/ч К, кг/ч
Обозначение х1 х2 х3
Верхний уровень (+1) 6 1,9 30
Основной уровень (0) 5,25 1,675 22,5
Нижний уровень (-1) 4,5 1,45 15
Для нахождения коэффициентов полинома использовался ортогональный центрально-композиционный план второго порядка - (табл. 2).
Таблица 2 - Матрица ортогонального центрально-композиционного плана второго порядка и результаты экспериментов
№ опыта х1 х2 х3 / 2 , х1 =х1 -а / 2 , Х2 =Х2 -а / 2 , Х3 =Х3 -ё
У1
1 + + + 0,2697 0,2697 0,2697 72,000
2 - + + 0,2697 0,2697 0,2697 67,000
3 + - + 0,2697 0,2697 0,2697 64,900
4 - - + 0,2697 0,2697 0,2697 65,800
5 + + - 0,2697 0,2697 0,2697 58,500
6 - + - 0,2697 0,2697 0,2697 52,300
7 + - - 0,2697 0,2697 0,2697 57,900
8 - - - 0,2697 0,2697 0,2697 56,900
9 1,2154 0 0 0,7469 -0,7303 -0,7303 61,800
10 -1,2154 0 0 0,7469 -0,7303 -0,7303 59,600
11 0 1,2154 0 -0,7303 0,7469 -0,7303 58,000
12 0 -1,2154 0 -0,7303 0,7469 -0,7303 56,800
13 0 0 1,2154 -0,7303 -0,7303 0,7469 63,800
14 0 0 -1,2154 -0,7303 -0,7303 0,7469 54,200
15 0 0 0 -0,7303 -0,7303 -0,7303 64,300
Значимость коэффициентов регрессии проверялась по критерию Стью-дента.
В нашем случае для 3-х степеней свободы и 95%-ном уровне значимости 1 = 0,765
Таблица 3 - Проверка значимости коэффициентов регрессии __по факторной обработке (У1)_
Коэффициенты регрессии Проверка коэффициентов регрессии по критерию Стью- дента
Численное значение 82{Ь1} ь ^ 2{Ь}
Ь0 61,296 0,04422222 143,72
Ь1 1,823 0,06055409 7,41
Ь2 1,073 0,06055409 4,36
Ь3 5,639 0,06055409 22,91
Ь12 2,138 0,08291667 7,42
Ь13 0,363 0,08291667 1,26
Ь23 2,288 0,08291667 7,94
Ь123 0,837 0,08291667 2,91
Ь11 2,101 0,15199057 5,39
Ь22 -0,133 0,15199057 -0,34
Ь33 0,950 0,15199057 2,44
Из таблицы 3 видно, что значимыми коэффициентами являются Ь0, Ь1, Ь2, Ь3, Ь12, Ь13, Ь23, Ь123, Ь22, Ь33.
Уравнение регрессии в кодированном виде будут выглядеть следующим образом:
У± = 61,2956 + 1,823*! + 1,073х2 + 5,639х3 + 2,138х1х2 + 0,363х1х3 + 2,287х2х3 + 0,837х1х2х3 + 2,101х^ + 0,95х|
Адекватность полученных уравнений проверялась по критерию Фишера.
В нашем случае при А=15-3-1=11; 12=3-1=1 и 95%-ном уровне значимости Б = 19,4.
Значения выходного параметра, вычисленные по уравнению регрессии, представлены в таблице 4.
Таблица 4 - Расчет дисперсии адекватности
№ опыта У
Уu /V Уu (Уи - Я )2
1 78,000 77,658 0,116885698
2 67,000 66,152 0,718319376
3 64,900 67,918 9,109233576
4 65,800 64,271 2,336566323
5 58,500 56,621 3,528906228
6 52,300 52,975 0,455257712
7 57,900 54,740 9,982972256
8 56,900 51,094 33,713328579
9 61,800 62,663 0,744008741
10 59,600 58,230 1,876025617
11 58,000 61,590 12,884875364
12 56,800 59,303 6,266649624
13 63,800 68,455 21,664824250
14 54,200 52,438 3,103481899
15 64,300 60,446 12,158430111
Расчетные значения критерия Фишера составили: Б = 16,262. Значит, полученное уравнение регрессии адекватно описывает процесс в пределах исследуемой области.
Для удобства расчетов запишем уравнения регрессии в раскодированном виде:
Уг = 174 - 34,51/ - 14,067 + 3,202^ - 2,222/7 - 1,044/К - 2,1187^ + 0,66/7/^ + 3,73/2 + 0,016К 2
При построении поверхностей откликов (программа SigmaPlot у.11.0) варьировались два фактора (рис 1-6).
30 ОгарИ 1
Рисунок 1 - Поверхность отклика Y1 в зависимости от Х2 (7) и Х3(Д) (при зафиксированной на нулевом уровне Х1 (/ = 5,25 А). Уг = 96,02 - 25,727 - 2,278^ + 1,357К + 0,016К2
скорость наплавки, м/ч
- z column
Рисунок 2 - Сечение поверхности отклика Y1 в зависимости от X2 (7) и ХЗ(К') (при зафиксированной на нулевом уровне X1 (/ = 5,25 А).
3D Graph 1
Ч %
Рисунок 3 - Поверхность отклика У1 в зависимости от Х1 (/) и ХЗ(К') (при зафиксированной на нулевом уровне Х2 (7 = 1,68 м/ч.).
Y± = 150,73 - 38,23/ - 0,34tf + 0,064/tf + 3,735/2 + 0,168tf2
20 -
4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 5,6
Сила тока, I(A)
5,8 6,0
26
24
22
- z column
Рисунок 4 - Сечение поверхности отклика Y1 в зависимости от X1 (/) и X3(^) (при зафиксированной на нулевом уровне X2 (7 = 1,68 м/ч.).
3D Graph 1
Рисунок 5 - Поверхность отклика У1 в зависимости от Х1 (/) и Х2 (7) (при зафиксированной на нулевом уровне Х3 (^ = 22,5 %).
Yt = 254,87 - 58,05/ - 61,727 + 12,66/7 + 3,735/2
4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 Сила тока, I(A)
-z column
Рисунок 6 - Сечение поверхности отклика Y1 в зависимости от X1 (/) и X2 (7) (при зафиксированной на нулевом уровне X3 = 22,5 %)
Выводы: на основании графиков, изображенных на рисунках 1,2,3,4,5,6 получены следующие оптимальные интервалы факторов для значения максимального значения функции: / - от 5,8 до 6,0; V - от 1,6 до 1,9; K -22,5.
По окончании эксперимента получено максимальное значение параметра оптимизации Y, которое составило HRC 72. Таким образом, промышленная смесь подходящая композиция для плазменно-порошковой наплавки стрельчатых лап культиватора является порошковая смесь, содержащая в своем составе промышленные порошки (7 объемов ВИСХОМ-9), изготовленные по ТУ 48-19-470-87 с добавлением 22,5 % (масс.) электроэрро-зионной шихты, полученной из отходов твердого сплава Т30К4 методом ЭЭД в воде, со средним размером частиц 40-55 мкм [10-20].
Список литературы
1. Получение и исследование порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов электроэрозионным диспергированием: монография / Агеев Е.В., Латыпов Р.А., Агеева Е.В., Давыдов А.А. Курск, 2013. 200 с.
2. Elemental composition of the powder particles produced by electric discharge dispersion of the wastes of a VK8 hard alloy / Latypov R.A., Latypova G.R., Ageev E.V., Altukhov A.Y., Ageeva E.V. // Russian Metallurgy (Metally). 2017. Т. 2017. № 12. С. 1083-1085.
3. Сравнительный рентгеноспектральный микроанализ медного порошка, полученного электроэрозионным диспергированием, и медного порошка ПМС-1 / Латыпов Р.А., Агеев Е.В., Агеева Е.В., Хорьякова Н.М. // Электрометаллургия. 2017. № 4. С. 3639.
4. Исследование алюминиевого порошка, полученного методом электроэрозионного диспергирования в дистиллированной воде / Латыпов Р.А., Агеев Е.В., Агеева Е.В., Новиков Е.П. / Все материалы. Энциклопедический справочник. 2016. № 4. С. 19-22.
5. Физико-механический подход к анализу процессов вытяжки с утонением цилиндрических изделий с прогнозированием деформационной повреждаемости материала / Журавлев Г.М., Сергеев Н.Н., Гвоздев А.Е., Сергеев А.Н., Агеева Е.В., Малий Д.В. // Известия Юго-Западного государственного университета. 2016. № 4 (67). С. 39-56.
6. Получение и исследование композиционных медных гальванических покрытий, модифицированных медными электроэрозионными порошками микро- и нанофракций / Агеева Е.В., Хорьякова Н.М., Агеев Е.В. // Курск, 2016.
7. Исследование формы и морфологии поверхности частиц порошков, применяемых при восстановлении и упрочнении деталей машин / Агеев Е.В., Серебровский В.И., Се-менихин Б.А., Агеева Е.В., Латыпов Р.А. // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2011. № 1. С. 72-75.
8. Гранулометрический и фазовый составы порошка, полученного из вольфрамсо-держащих отходов инструментальных материалов электроэрозионным диспергированием в керосине / Агеев Е.В., Агеева Е.В., Воробьев Е.А. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2014. № 4 (112). С. 11-14.
9. Composition, structure and properties of hard-alloy powders obtained by electrodispersion of T5K10 alloy in water / Ageev E.V., Ageeva A.E. // Metallurgist. 2022.
10. Разработка и исследование высокопрочных быстрорежущих сталей на основе диспергированных электроэрозией частиц сплава Р6М5 / Пикалов С.В., Агеев Е.В., Агеева А.Е. // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 11. № 4. С. 53-67.
11. Математический размерный анализ порошков, полученных электроэрозионным диспергированием жаропрочного никелевого сплава ЖС6У в воде / Агеев Е.В., Гвоздев А.Е., Протопопов Е.А., Поданов В.О., Агеева А.Е. // Чебышевский сборник. 2022. Т. 23. № 1 (82). С. 197-208.
12. Исследование фазового состава порошка электрокорунда, полученного электродиспергирование отходов сплава АД0Е / Новиков Е.П., Поданов В.О., Агеева А.Е. // В сборнике: Современные инновации в науке и технике. Сборник научных статей 12-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Отв. редактор М.С. Разумов. Курск, 2022. С. 186-190.
13. Форма и морфология частиц электрокорунда, полученного электродиспергированием отходов сплава АД0Е / Новиков Е.П., Поданов В.О., Агеева А.Е. // В сборнике: ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА СЕГОДНЯ И ЗАВТРА. сборник научных статей Международной научно-технической конференции. Курская государственная сельскохозяйственная академия имени И.И. Иванова. Курск, 2022. С. 127-131.
14. Исследование гранулометрического состава электрокорунда, полученного электродиспергированием отходов сплава АД0Е / Новиков Е.П., Поданов В.О., Агеева А.Е. // В сборнике: Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации. Сборник научных трудов XVII Международной научно-практической конференции. Редколлегия: Разумов М.С. (отв. ред.). Курск, 2022. С. 320-324.
15. Способ получения жаропрочного никелевого порошка из отходов сплава ЖС6У в воде дистиллированной / Агеев Е.В., Поданов В.О., Агеева А.Е. // Патент на изобретение 2779730 C1, 12.09.2022. Заявка № 2022104718 от 22.02.2022.
16. Порошковые электроэрозионные материалы для износостойкой наплавки / Кончин В. А., Агеев Е.В. // Перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении. Сборник научных статей 7-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Редколлегия: Разумов М.С. (отв. ред.). Курск, 2022. С. 88-93.
17. Фазовый состав титано-кобальтового сплава Т30К4, спеченного из электроэрозионных порошков, полученных в воде дистилированной / В. А. Кончин // Современные материалы, техника и технология: сборник научных статей 12-й Международной научно-практической конференции, Курск, 30 декабря 2022 года. - Курск: Юго-Западный государственный университет, 2022. - С. 189-192.
18. Исследование размера электроэрозионных твердосплавных частиц для износостойкой наплавки / В. А. Кончин, Е. В. Агеев // Электроэнергетика сегодня и завтра: сборник научных статей Международной научно-технической конференции, Курск, 30 марта 2022 года / Курская государственная сельскохозяйственная академия имени И. И. Иванова. - Курск: Закрытое акционерное общество "Университетская книга", 2022. - С. 76-80.
19. Определение гранулометрического размера электроэррозионного порошка тита-но-карбидовой группы, полученного в воде дистилированной / В. А. Кончин, О. С. Серникова, Е. С. Кучерявенко // Современные материалы, техника и технология: сборник научных статей 12-й Международной научно-практической конференции, Курск, 30 декабря 2022 года. - Курск: Юго-Западный государственный университет, 2022. - С. 193-196.
20. Исследование размера электроэрозионных твердосплавных частиц для износостойкой наплавки / Кончин В. А., Агеев Е. В. // Электроэнергетика сегодня и завтра. сборник научных статей Международной научно-технической конференции. Курская государственная сельскохозяйственная академия имени И.И. Иванова. Курск, 2022. С. 76-80.
Konchin Vladimir A., PhD student (konchin98@mail.ru )
Kursk State Agrarian University named after I.I. Ivanov OPTIMIZATION OF THE COMPOSITION OF SURFACED POWDER COMPOSITIONS IN ORDER TO IMPROVE THE QUALITY OF PLASMA COATINGS OF THE POINTED PAWS OF THE CULTIVATOR
This article presents powder compositions for the renovation of pointed paws. Factor data processing was carried out, the surfacing process was optimized.
Keywords: electroerosive charge, ESH, carbide plates, T30K4 alloy, plasma coating, lancet paw.
