CC BY
7
Металлургия и материаловедение
УДК 621.92, 62-13, 62-11
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТЕЙ ТОЧЕК ЗОНЫ КОНТАКТА ПРИ ЦЕНТРОБЕЖНО ДУГОВОМ ДИСПЕРГИРОВАНИИИ Бажутин Андрей Сергеевич, студент (bazh.and@mail.ru) Зверовщиков Александр Евгеньевич, д.т.н., доцент,
заведующий кафедрой «Технологии и оборудование машиностроения»
(azwer@mail.ru) Гурин Павел Александрович, к.т.н., доцент (sbgurinpavel@list.ru) Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
Произведен анализ распределения скоростей в зоне контакта электродов при центробежно-дуговом диспергированиии. Предложена методика определения результирующей скорости и характеристики распределения скоростей зоны контакта.
Ключевые слова: порошковый материал, диспергирование, электрод-заготовка, пассивированный электрод, металлический порошок, кинематическая схема.
Твердосплавной порошковый материал является сырьевым материалом для изготовления режущего инструмента [1]. Отсутствие должного качества порошкового материала приводит к снижению качества изделий, полученных порошковой металлургией, Р1М технологиями, технологией лазерного спекания и иными аддитивными технологиями.
В настоящее время существует ряд способов получения мелкодисперсных порошковых материалов на основе центробежно-дугового диспергирования [2]. Известен способ термоцентробежного распыления для получения гранулированных тугоплавких материалов, при котором используют плазменно-дуговой переплав заготовки (расходуемого стержня) в защитных газах с одновременным диспергированием расплавленного сплава. При этом способе торец быстровращающейся заготовки прогревается плазменной дугой, в результате чего с оплавляемой поверхности происходит распыление металла [3].
Рассматриваемый способ [4] диспергирования и сфероидизации токо-проводящих металлов и сплавов (рис. 1) предполагает контакт электрода заготовки 1, совершающего вращательное движение с высокой угловой скоростью и пассивированного электрода распылителя 2, с осью, смещенной относительно оси электрода заготовки. Процесс распыления происходит в заполненной инертным газом камере. Дуга, возникающая в зоне кон-
такта электродов, обеспечивает температуру от 4000°С. Сформированный расплав, под действием центробежных сил покидает зону плавления.
Рисунок 1 - Схема реализации способа диспергирования токопроводящих материалов: 1 - заготовка-электрод, 2 - пассивированный электрод, 3 - камера распыления, 4 - привод
Зону контакта электродов упрощенно можно представить как площадку определенных размеров. Точки, расположенные по контуру площадки соответствуют кромке плавящегося электрода-заготовки и характеризуются различными скоростями и ускорениями. Различие кинематических параметров приводит к различным условиям кристаллизации образующихся частиц и их возможной агломерации.
Для прогнозирования размаха фракционного состава получаемого порошкового материала необходим анализ распределения скоростей в различных точках зоны контакта.
Предложенная методика расчета результирующей скорости подразумевает определение угла ^ между составляющими векторами, величины и направления скоростей от вращения электрода-заготовки (Ух), и скоростей от вращения пассивированного электрода (У2).
Схема для анализа сложения скоростей приведена на рисунке 2.
(О,
(О
1 о,
УЛ
яг Г
О
№
Рисунок 2 - Схема скоростей
Угол Ц) определяется для точек, взятых на кромке заготовки 1, от 0° до 90° в положительную сторону и до -90° в отрицательную сторону с шагом, принятым равным 18° (угол а). По теоремам косинусов и синусов из Л
Д2 = ^ + -2 • • д2 • ^(а + 90°) ; Для угла а >0 °:
Для угла а <0 °
Д2 • sin(a + 90°) ^ = а^т-'-;
Д2 • sm(a + 90°) т = 180° — arcsiIl-;-.
д2
Величина вектора скорости [м/с] на заготовке 1 определяется:
уг = •
где - угловая скорость заготовки [с-1], определяемая:
2- я • п±
^-"вТ".
Величина вектора скорости [м/с] на электроде 2 определяется:
У2 = Ш2 • ,
где - радиус электрода [м], изменяется от 0,08 м до 0,07 м в зависимости от выбранной точки на заготовке; ш2 - угловая скорость заготовки [с-1], определяемая:
2- п • п2
^2 = —тт;—■ 2 60
Значения результирующего вектора г>Р от сложения двух скоростей в точке на кромке заготовки:
Параметры расчетов выбраны согласно конструктивным параметрам промышленного экспериментального стенда. Расчетный радиус заготовки электрода принят равным ^1=10 мм, частота вращения электрода-заготовки п1=12000 мин-1. Частота вращения пассивированного электрода п2=3000 мин-1, максимальный диаметр в зоне контакта принят d2=0,16 м. Для упрощения расчета было принято допущение о незначимости величин кориолисова ускорения. Межцентровое расстояние для двух электродов ^2=75 мм.
Полученные результаты сведены в таблицу 1.
Таблица 1 -
Кинематические параметры зоны контакта
90 72 54 36 18 0 -18 -36 -54 -72 -90
<Р,° - 16,89 33,87 51,03 68,45 86,19 104,3 122,79 141,63 160,74 -
«2, мм - 79,77 79,09 78,04 76,69 75,17 73,61 72,17 71,02 70,26 -
^ м/с 25,13 25,06 24,85 24,52 24,09 23,61 23,12 22,67 22,31 22,07 21,99
^ м/с 31,42 31,13 30,27 28,89 27,04 24,84 22,42 19,98 17,82 16,27 15,71
Диаграмма распределения скорости от вращения электрода и результирующей скорости на кромке заготовки представлена на рисунке 3.
ъ, м/с
30 25 20 15 10 5 0
--
/
1
2
90 72 54 36 18 0 -18 -36 -54 -72 а,"
Рисунок 3 - Кинематические параметры зоны контакта: скорости точек кромки, 1 - линейная скорость поверхности пассивированного электрода, 2 - линейная суммарная скорость частицы при отрыве от зоны плавления
Таким образом, при имеющихся кинематических характеристиках, размер сформированных частиц может иметь величину размаха равную моде радиуса сформированных частиц.
При проектировании ловушки для оценки требуемых размеров необходимо выявление геометрических характеристик факела распыления электрода. Принимается, что траектория полета оторвавшихся от зоны диспергирования частиц прямолинейна и соответствует суммарному вектору скорости в момент потери контакта частицы с поверхностью электрода. Для этого производится построение векторного распределения скоростей ур в зоне отрыва частиц.
Анализ распределения скоростей позволяет сделать вывод, что угол раствора разброса факела частиц имеет ярко выраженную зависимость от угловой скорости инертного электрода, поскольку угловая скорость распыляемого электрода находится вблизи максимального значения.
Худшим вариантом с точки зрения сбора распыляемых частиц является вариант, когда значение линейной скорости отрыва распыляемого электро-
да существенно превышает скорость инертного электрода. В этом случае формируется факел распыления частиц с углом Р в плане.
Таким образом, из анализа полученных зависимостей можно сделать вывод, что размер сформированных частиц, являющихся функцией скорости истечения расплава за кромку, выступающую в роли границы высокотемпературной зоны, может иметь величину размаха равную моде радиуса сформированных частиц. Ожидаемое распределение с большим уровнем значимости будет подчиняться закону равной вероятности. Такая особенность способа вводит необходимость применения классификатора воздушного или инерционного типа для разделения получаемого порошкового материала на фракции. Размеры ловушки для сбора частиц, определяются двумя условиями. Первое - расстояние до зоны диспергирования, определяемое конструктивными особенностями устройства. Второе - параметры факела распределения частиц, определяемые по рассматриваемой методике.
Список литературы
1. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделия из них: учебное пособие для вузов / Панов В.С., Чувилин А.М. - М.: МИСИС, 2001 - 428 с.
2. Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: справочник / И.М. Федорченко, И.Н. Францевич, Радомысельский и др. Киев: Наукова думка, 1985. 624. С. 33-38.
3. Жудра А.П., Литвиненко А.И. Некоторые особенности центробежного гранулирования тугоплавких соединений с использованием плазменного переплава // Спец. электрометаллургия. - 1989. - № 67. - С. 104—106.
4. Патент РФ № 2746197 В22Б 9/10, В22Б 9/14 Способ получения мелкодисперсного порошка тугоплавкого материала / Зверовщиков А.Е., Зверовщиков В.З., Колмаков К.М., Борисов Д. А// Опубл. 08.04.2021 в БИ №10.
Bazhutin Andrey Sergeevich, student of the Department of "Technologies and Equipment of
Mechanical Engineering"
(bazh.and@mail.ru)
Zverovshchikov Alexander Evgenievich, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of "Technologies and Equipment of Mechanical Engineering" (azwer@mail.ru)
Gurin Pavel Alexandrovich, Candidate of Technical Sciences, Docent of the Department of
"Technologies and Equipment of Mechanical Engineering"
(sbgurin_pavel@list.ru)
Penza State University, Penza, Russia
DEVELOPMENT OF A METHODOLOGY FOR DETERMINING THE VELOCITIES OF THE CONTACT ZONE POINTS DURING CENTRIFUGAL ARC DISPERSION AND
Annotation. In this article, the analysis of the velocity distribution at various points of the contact zone of the electrodes during the central arc dispersion was carried out. The method of determining the resulting velocity is considered.
Keywords: powder material, dispersion, blank electrode, passivated electrode, metal powder, kinematic scheme.
