CC BY
27
а производные собственных векторов <¡-^4 и
JM
К,
ражения:
дх.
можно вычислить, используя следующие вы-
м fa},
дх,
дfa j=é/a? к R fa}
Bit Ait , Bijl yf ijk _DR yR + DI
UR i л V i k V
где
(4 )2 + (4 )2
nfi Ail T)jk A aik = BI yR - BR y
1 i ^ V i At V
(4 )2+(4 )2 ■
Рассмотрен подход к построению явной задачи НМП при решении задач оптимизации механических систем в условиях нестационарных динамических воздействий. Для исключения фактора времени отслеживались те моменты времени, где функции огра-
ничений принимали экстремальные значения на заданном временном интервале. Для сокращения размерности задачи была установлена полоса отбора ограничений.
Разработана методика построения аппроксимации функций ограничений либо параметров состояния, входящих в эти функции. В алгоритме использовались аппроксимации первого порядка, выполненные путём разложения функций в ряд Тейлора в окрестности пробной точки. Рассмотрен случай, когда уравнение движения сначала раскладывается по собственным формам колебаний, а затем выполняется покомпонентный синтез чувствительностей по требуемому числу форм. Так как матрица демпфирования не является пропорциональной матрице масс и жесткости, такой переход приводит к разделённым уравнениям удвоенного порядка. Сокращения объема вычислений при этом можно достичь за счет того, что полная задача на собственные значения заменяется приближенной, где учитывается требуемое число собственных форм колебаний, обеспечивающих необходимую точность вычислений.
Библиографический список
1. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982. 448 с.
2. Клаф Р., Пензиен Дж. Динамика сооружений. М.: Стройиздат, 1979. 320 с.
3. Парлетт Б. Симметричная проблема собственных значений. М.: Мир, 1983. 384 с.
4. Ванхонакер П. Дифференциальные и разностные коэффициенты чувствительности собственных частот и форм колебаний механических конструкций // Ракетная техника и космонавтика, 1980. Т.18. № 12. С. 128-132.
5. Гарг С. Производные решений задачи о собственных значениях для матриц общего вида // Ракетная техника и космонавтика. 1976. Т.14. № 9. С. 59-64.
6. Роджерс Л.С. Вывод формул для собственных значений и собственных векторов // Ракетная техника и космонавтика. 1970. Т. 8. № 5. С. 136-137.
7. Рудисилл С.С. Производные собственных значений и собственных векторов для матриц общего вида // Ракетная техника и космонавтика. 1974. Т. 12. № 5. С. 180-182.
8. Рудисилл С.С., Чу Е.Е. Численные методы расчёта производных собственных значений и собственных векторов // Ракетная техника и космонавтика. 1975. Т. 13. № 6. С. 154-156.
9. Фокс Р.Л., Капур М.П. Скорость изменения собственных значений и собственных векторов // Ракетная техника и космонавтика. 1968. № 12. С. 227-230.
УДК 621.9.048.6:621.794
ВИБРАЦИОННОЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ НА ДЕТАЛЯХ ИЗ АЛЮМИНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДАМИ ГЛ И ЛПД
В.В. Иванов1
Донской государственный технический университет, 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина 1.
Предложена технология вибрационной отделочной обработки алюминиевых сплавов с одновременным нанесением покрытия. Описывается теоретическая модель формирования оксидного покрытия в условиях виброобработки. На основе экспериментальных исследований подобраны литейные сплавы, рабочие среды, режимы работы оборудования, активирующие растворы. Показано практическое применение разработанной технологии на реальных деталях. Ил. 9. Табл. 2. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: вибрационная обработка; комбинированные покрытия; совмещенный процесс оксидирования и вибрационной обработки; поверхностный слой металла; полимерные рабочие среды.
1Иванов Владимир Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры сервиса и технической эксплуатации автотранспортных средств, докторант кафедры технологии машиностроения, тел.: (863) 2738360, е-mail: [email protected] Ivanov Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Service and Maintenance of Vehicles, Competitor for a Doctor's Degree of the Department of Technology of Mechanical Engineering, tel.: (863) 2738360, e-mail: [email protected]
VIBRATION MECHANOCHEMICAL COATING ON ALUMINUM PARTS OBTAINED BY GRAVITY CASTING AND PRESSURE DIE CASTING V.V. Ivanov
Don State Technical University, 1 Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344000.
The article proposes a technology for vibratory finishing of aluminum alloys with simultaneous coating. It describes a theoretical model of oxide coating formation under vibration treatment. Based on experimental researches the author selects casting alloys, working environments, equipment operation modes and activating solutions. The practical application of the developed technology is demonstrated on real parts. 9 figures. 2 tables. 5 sources.
Key words: vibration treatment; combined coatings; combined process of oxidation and vibration treatment; surface layer of metal; polymer working fluids.
Успехи отечественных и зарубежных исследователей, достигнутые в последние годы в области совмещения процессов механической обработки и нанесения покрытий, относятся в основном к стальным деталям. Так, например, нанесение цинковых покрытий механохимическим путем в галтовочных барабанах практически вытеснило традиционный электрохимический способ. В США, Англии, Франции до 80% всех метизов цинкуют комбинированными методами. Однако, несмотря на перспективность этого направления, сведений о совмещенных процессах обработки деталей из алюминия и его сплавов немного.
Алюминий и его сплавы благодаря высоким физико-механическим свойствам применяются почти во всех отраслях современной промышленности. Основным преимуществом данного металла являются его литейные свойства, давно известные и в современном мире не потерявшие своей актуальности.
Анализируя современные требования, предъявляемые к поверхности изделий из алюминия и его сплавов по шероховатости поверхности, глубине наклепа, отражательной и адгезионной способности, твердости, а также коррозионной стойкости, и методы
их достижения, следует отметить, что использование только традиционных методов обработки, таких как химическое полирование, электро-химическое анодирование и оксидирование, ленточное шлифование, не позволяет получить в полной мере требуемые показатели качества поверхности и обеспечить экономический эффект. Кроме того, применение этих методов связано с использованием специальных помещений, очистных сооружений, дорогостоящего оборудования, серьезными ограничениями по экологическим и санитарным нормам. Исследования, проведенные в этом направлении, доказывают, что обеспечить их возможно путем комбинирования между собой и использования современных научных знаний.
Одним из перспективных способов, при котором достигается эффект совместного воздействия механической энергии и химических реакций, является вибрационный. Вибрационная обработка (ВиО) обеспечивает изменение физико-химических свойств поверхностного слоя детали в результате низкочастотных колебаний, рабочей среды с определенной частотой и амплитудой, обладает широкими технологическими возможностями и универсальностью.
Поэтому исследования, направленные на разработку совмещенной технологии вибрационной обработки нанесения покрытий на поверхности алюминия и его сплавов, являются актуальными и перспективными.
Теоретические исследования нанесения оксидного покрытия в процессе ВиО. Свидетельствуют, что формирование и рост оксидной пленки (гидрооксида) происходит в условиях одновременного воздействия двух противоположно направленных реакций окисления металла в глубине пор и химического растворения оксидного слоя на его внешней поверхности, подвергающейся активному воздействию раствора и рабочей среды. Структура, толщина и свойства оксидного покрытия в большей мере зависят от соотношения скорости этих реакций. Так как скорость химического процесса определяется составом раствора и температурой в зоне реакции, было рассмотрено влияние обоих факторов. С учетом закона Гесса тепловой эффект реакции образующегося гидрооксида определяется следующим образом:
А1 + 3Н20 = А1(ОН)3 +3Н ; (1)
Д Н°298 =1 кон Д Н° 298 - Енсп Д Н298 , (2) где А Н° - значение стандартных энтальпий.
В соответствии с основными законами химической кинетики скорость химической реакции равна
У=К Са СЬ , (3)
где Са и СЬ - молярные концентрации реагирующих веществ; К - константа скорости.
Согласно теории активации, в химическое взаимодействие вступают только активные молекулы, обладающие энергией, достаточной для осуществления реакции. Энергия активации нужна для освобождения иона от гидратной оболочки преодоления барьера пассивации и образования гидрооксида.
Скорость химической реакции на поверхности
раздела между металлом и раствором определяется по уравнению
Е
V = КСеК , (4)
где Е - энергия активации, кал/моль; К - константа скорости реакции; С - активность реагирующего вещества в слое раствора; Т - абсолютная температура, °К; К - газовая постоянная, кал/град. моль; е - экспоненциальный член.
Из уравнения (4) следует, что чем больше активных молекул, тем выше скорость химической реакции. В процессе вибрационного перемешивания раствора устраняются концентрационные ограничения, возникают интенсивные микропотоки, захватывающие диффузионный слой, что также влияет на скорость протекания процесса. Наличие вибрации способствует увеличению энергетического уровня системы и, как следствие, росту толщины покрытия и интенсификации процесса. Необходимым условием образования и роста оксидной пленки является ее микропористость, активация в растворе ионов и молекул, а также постоянная смена раствора в зоне реакции.
Образование оксидного покрытия на поверхности алюминия представляет собой сложный процесс и является результатом совместного воздействия механической составляющей и химической реакции. С учетом особенностей процесса ВиО разработана модель формирования оксидного покрытия в условиях виброобработки, представляющая собой совокупность процессов (рис. 1).
На рисунке:
1. Механический контакт рабочей среды (шары, раствор) с деталью обеспечивает адсорбцию раствора, пластическую деформацию поверхности в зоне контакта.
2. Активация и очистка металла приводит к
активных оксидной
центров, пленки
разрушению и жировых
образованию естественной загрязнений.
3. Образование оксидной пленки происходит в результате того, что участки поверхности металла активно адсорбируют гидроксил-ион, взаимодействуют с ним с последующим образованием гидрооксида алюминия:
2AI+6OH+6H^AI(OH)3+3H2 . (5)
4. Рост оксидной пленки - следствие постоянного притока раствора через поры, которые обеспечивают взаимодействие металла с гидроксил-ионами.
5. Формирование покрытия - в результате силового воздействия наружная часть пленки уплотняется, сглаживаются неровности, увеличивается отражательная способность и твердость поверхности.
Основной целью экспериментальных исследований являлось подтверждение теоретической модели совмещенного процесса ВиО и отработка технологии отделки и нанесения декоративного покрытия на алюминиевых сплавах.
Исследования предусматривали решение следующих задач:
1. Обоснование качества исходных заготовок, получаемых гравитационным литьем (ГЛ) и литьем под давлением (ЛПД).
2. Выбор режимов и параметров обработки, оборудования, рабочих сред жидкостей в условиях виброабразивной отделочной обработки.
3. Отработка процесса виброполирования, предусматривающего упрочнение поверхности алюминиевого сплава с одновременным образованием зеркального блеска в условиях ВиО.
4. Отработка технологии нанесения декоративного оксидного покрытия в условиях ВиО.
При обосновании качества исходной заготовки образца, полученной ГЛ ЛПД, особое внимание было уделено
• микроструктуре алюминиевых сплавов;
• газонасыщенности (Н2);
• твердости поверхностного слоя (НВ).
Для исследований использовались:
• оптический микроскоп фирмы "ZEISS";
• твердомер модели ТШ-2М.
Измерения параметров газонасыщенности проводились путем введения в расплав увлажненной древесины или дегазации расплава продувкой инертным газом. Подбор оптимального химического состава алюминиевого сплава по твердости проводился легированием в интервале Si = 2,9-13,48 % и Cu = 0,055-5,65 %. На основании проводимых исследования сформированы следующие требования к качеству заготовки:
1. Поверхность заготовки, полученная методами ГЛ и ЛПД, не должна иметь видимых дефектов поверхности в виде трещин, пористости, усадочной рыхлости металла и т.д.
2. Максимальная газонасыщенность алюминиевого сплава для заготовок, полученных ГЛ,
раковин, газовой окисленных пленок
составляет не более 0,08-0,09 см3/см3 для заготовок ЛПД не более 0,05-0,06 см3/см3
3. Шероховатость поверхности заготовки должна быть в пределах Ра = 2,5-4 мкм, что позволит обеспечить шероховатость новой детали Ра = 0,2-0,4 мкм (рис. 2).
4. Оптимальная микроструктура заготовки полученной ЛПД представляет собой мелкодисперсную эвтектику А1 +Si равномерно распределенными частицами Si размером до 100 мкм (рис. 3).
На рис. 4 показаны дефекты поверхности заготовки, полученные ГЛ, в виде пористости и усадочной рыхлости. Микроструктура данного образца представляет собой крупно дисперсную эвтектику А1 +Si, частицы А1 размером выше 100 мкм, крупные включения магнезитовой шпинели и усадочные поры.
Рис. 3. Микроструктура заготовки, полученной ЛПД
5. Твердость для заготовок, полученных ГЛ и ЛПД, должна быть не менее НВ = 60-68. Указанная твердость достигается путем введения в расплав легирующих элементов, таких как Si и Си. Наибольшие изменения твердости заготовки, наблюдаемые при легировании расплава медью, должны находиться в диапазоне 1,2-3,5 %
Рис. 4. Поверхность заготовки, полученная ГЛ
Изменение шероховатости поверхности и твердости заготовки в зависимости от процентного содержания легирующего элемента меди при среднем значении Б1 = 6-8 % представлено на рис. 5.
На основании полученных результатов предлагается использовать для литья изделий методом ГЛ и ЛПД алюминиевые сплавы следующего химического состава (табл. 1, 2).
В качестве первичного сплава рекомендуется применять АК5М2 (ГОСТ 1583 - 89) с последующим
легированием Б1 и Си в зависимости от способа получения заготовки.
При обосновании режимов виброабразивной отделочной обработки определялись максимальная загрузка рабочей камеры, чистота и амплитуда колебаний (рабочей камеры), осуществлялся подбор рабочих сред и растворов, устанавливалась продолжительность обработки.
Эксперименты проводились на установке ВТУ-100 л. и УГВ-100 л. (рис. 6.)
а) б)
Рис. 7. Детали кофеварки гейзерного типа
В качестве образцов использовали алюминиевые заготовки, полученные ГЛ и ЛПД, с шероховатостью Ра = 2,5-4,0 мкм, толщиной облоя 0,1-0,5 мм и высотой 2-4 мм, на поверхности которых оставались разводы от смазки литейных машин, рытвины и царапины, полученные в процессе литья и транспортировки.
Под наблюдением находилась партия изделий (кофеварка гейзерного типа) из алюминиевого сплава в количестве 500 шт., состоящая из корпуса, накопителя, крышки. Выбор данных деталей не случаен, они обладают рядом типичных дефектов после литья, которые трудно устранить без применения вибрационной обработки. Например, корпус усеян небольшими рытвинами, похожими на «апельсиновую корку». На поверхности накопителя и крышки имеются другие дефекты, такие как разводы кремния, усадочные рытвины, облой. Накопитель интересен и тем, что обладает внутренним проводником для подачи жидкости с трудно доступными участками для механической обработки (рис. 7.)
Выбору рабочей среды было уделено особое внимание, так как 80 % успешного применения вибрационных технологий зависит от этого. Рабочая среда должна обеспечить ряд технологических задач: снятие облоя в пределах 0,1-0,5 мм, скругление кромок, обработка внутренних и внешних поверхностей заготовки без заклинивания в них, а также снижение шероховатость с Ра = 2,5-4,0 мкм до Ра = 0,2-0,4 мкм
Учитывая, что алюминий и его сплавы - мягкий металл, рабочая среда не должна оставлять забоины и царапины на поверхности металла, и при этом заготовка не должна темнеть в процессе обработки.
Для экспериментальных исследований были выбраны следующие среды:
- московского абразивного завода ПТ (призма
/ а - корпус: б - накопитель; в - крышка
треугольная) - размером от 5*5x5 мм до 15x15x15 мм , с высокой степенью износостойкости, зернистость М 4О (рис. 8, а).
- волжского абразивного завода ПТ - размером 15x15x15 мм средней степени износостойкости, зернистость М 12 (рис. 8, б).
- гранулы на полимерной основе формой конус, размером основания с1 = 15 мм, высотой 15 мм, зернистость М 40 высокой степени износостойкости (рис. 8, в).
- шары фарфоровые от С = 5 мм до С = 15 мм, не обладающие абразивными свойствами, степень износостойкости очень высокая (рис. 8, г).
За время обработки, составлявшее 40-60 мин., были опробованы все рабочие среды и их комбинации при режимах работы установки с амплитудой колебания А = 2 мм, частотой f = 25 Гц при интенсивной промывке моющим раствором.
Проведенные исследования показали, что наилучшие показатели были достигнуты при использовании среды, состоящей из гранул на полимерной основе. Обработка деталей в этой среде обеспечивает шероховатость поверхности в пределах Ра = 0,4-0,8 мкм; в процессе обработки детали не темнели, забоины и царапины не образовывались. Однако режимы работы установки пришлось увеличить: амплитуду колебания рабочего органа с А = 2 мм до А = 5 мм, частоту с f = 25 Гц до f = 35 Гц, время с 60 до 100 мин. Следует подчеркнуть, что при обработке в этой среде облой не должен превышать 1 -2 мм.
Среды ПТ Московского и Волжского абразивных заводов показали неплохую режущую способность удаления заусенцев в пределах 40-60 мин, однако на поверхности металла были видны царапины и забоины от воздействия рабочей среды. Также заготовка в процессе обработки темнела, что негативно сказывалось на дальнейшем этапе
полировки. Фарфоровые шары не устраняли дефекты литья, а только упрочняли поверхность.
Полировка поверхности с целью придания деталям зеркального блеска отрабатывалась на оборудовании УВГ-100. В качестве рабочей среды использовали шары с1 = 5 мм из нержавеющей стали и специально разработанный полирующий раствор. Детали погружали в рабочую камеру не в навал, а каждую в отдельную ячейку с целью предотвращения соударения деталей и появления забоин и царапин. Амплитуда колебания рабочей камеры устанавливалась в пределах 2 мм, а частота 25 Гц, время обработки 25 мин. При вибрационном полировании в результате взаимодействия рабочей среды с поверхностью обрабатываемого материала в зоне контакта возникают напряжения, обеспечивающие пластическую деформацию, что приводит к увеличению дислокаций и образованию активных дислокационно-вакантных центров. Увеличение внутренней энергии поверхностных слоев металла в результате пластического деформирования приводит к повышению адсорбционной активности металлической поверхности.
В результате скольжения шаров относительно поверхности деталей, взаимного колебания атомных групп, составляющих молекулы, повышенной энергии движения рабочей сферы происходит активация полирующего раствора за счёт получения дополнительной энергии, что приводит к образованию на поверхности металла зеркальной плёнки (рис. 9).
Процесс нанесения оксидного покрытия в условиях вибрационной обработки интересен как в научном плане, так и в прикладном, и при определенных условиях может быть совмещен с виброполированием. Интерес к нанесению оксидного покрытия вызван увеличением потребительского спроса на изделия различной цветовой гаммы. Оборудование для совмещённого процесса ВиО и оксидирования используется то же, что и при виброполировании, за исключением отсутствия в рабочей камере разделительных ячеек и применяемых в качестве составляющей рабочей среды полиэтиленовых шариков. При совмещении процесса вибрационной обработки и химического оксидирования важную роль играет скорость
химической реакции, которая зависит от числа активных молекул, об активности которой свидетельствует увеличение толщины оксидной плёнки, полученной при ВиО 5-6 мкм (без ВиО 2,5-3 мкм). Вибрационная обработка сообщает дополнительную энергию, необходимую для преодоления увеличивающего расстояния между металлом и растущей оксидной плёнки. Вибрирующая среда, контактируя с поверхностью растущей оксидной плёнки, разрыхляет её, чем облегчает доступ оксидирующего раствора к поверхности металла.
В результате проведённых исследований была подтверждена теоретическая модель формирования покрытия. Получены оксидные плёнки на поверхности изделия толщиной 5-6 мкм за 10-15 мин в диапазоне цветов от золотистого до коричневого. Вибрационная обработка обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным химическим оксидированием: отсутствие наводороженного слоя, увеличение микротвердости поверхностного слоя на 25%, толщина покрытия и коррозийной стойкости на 40-50%.
В итоге можем сделать следующие выводы:
1. Проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, в результате чего установлена возможность совмещения процессов вибрационной обработки и получения оксидного покрытия на деталях из алюминиевого сплава.
2. Разработана модель и технология формирования оксидного покрытия в процессе ВиО, отражающая сущность комплексного воздействия механической и химической составляющих процесса на формирование поверхностного слоя покрытия. Анализ полученных результатов показал, что вибрационная обработка позволяет совместить подготовку поверхности под покрытие, формирование оксидного покрытия, отделку поверхности.
3. Промышленные испытания совмещенного процесса ВиО показали экономическую целесообразность предложенного технического решения, позволяющего повысить эксплуатационные свойства деталей, сократить технологический цикл обработки, снизить экономические затраты и улучшить экологическую обстановку.
1. Бабичев А.П., Бабичев И.А. Основы вибрационной технологии. Изд. 2-е, перераб. и доп. Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2008. 694 с.
2. Ажогин Ф.Ф. Гальванотехника. М.: Металлургия, 1987.
3. ГОСТ 1583-89. Сплавы алюминия.
4. Иванов В.В. Вибрационные механохимические методы нанесения покрытий: монография. Ростов н/Д: Издательский
ский список
центр ДГТУ, 2007. 140 с.
5. Иванов В.В. Формирование оксидной пленки в условиях виброобработки с использованием полимерных рабочих сред: 11-ая Междунар. науч.-техн. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе ТЕХНОЛОГИЯ-2009» // Известия ОрелГТУ. 2009. № 2-3/274(560).
