ВЛИЯНИЕ КИНЕМАТИКИ ДВИЖЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА НА ФОРМИРОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.793.74

ВЛИЯНИЕ КИНЕМАТИКИ ДВИЖЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА НА ФОРМИРОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ

С.Ю. Жачкин1, М.Н. Краснова1, Г.И. Трифонов1,2, Н.А. Пеньков2

1 Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2 Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, Россия

Аннотация: из литературных источников известно, что наиболее используемыми методиками по восстановлению деталей машин и механизмов являются технологии с применением высококонцентрированных потоков энергии, например, газотермическая обработка поверхностей. В области газотермической обработки поверхностей деталей активно используются системы уравнений для оценки физических, механических и химических особенностей (параметров) покрытия на поверхности деталей. В связи с этим вопросы разработки усовершенствованных систем уравнений по оценке и прогнозированию ключевых параметров процесса плазменного напыления стоят на первом месте при моделировании процесса газотермической технологии. В данной работе рассмотрено влияние кинематических режимов на формирование плазменного покрытия на сложнопрофильной поверхности детали. В частности, проанализирована кинематика нанесения износостойкого покрытия на винтовую поверхность детали, а также рассмотрено влияние скорости нанесения покрытия на толщину напыляемого слоя и температуру нагрева детали. Составлены усовершенствованные расчетные уравнения по прогнозированию толщины напыляемого слоя и нагрева винтовой (сложнопрофильной) поверхности. Разработанные математические зависимости в перспективе планируется использовать при разработке технологических карт и последующих корреляциях технологии нанесения плазменного напыления на автоматизированных и роботизированных комплексах при обработке деталей со сложной геометрической образующей

Ключевые слова: плазменное напыление, скорость, толщина покрытия, температура поверхности, моделирование, кинематика

Введение

В настоящее время плазменное напыление является одним из самых качественных, дешевых и эффективных методов нанесения защитных покрытий на поверхность детали с целью повышения её эксплуатационных характеристик. При этом с помощью потоков газотермической плазмы можно напылять любые композитные порошковые материалы.

При контакте высококонцентрированного потока энергии в виде плазменной струи с поверхностью восстанавливаемой детали протекают всевозможные физико-химические процессы. Параметры, характеризующие процесс их протекания, и качество получаемого плазменного покрытия определяются температурой, скоростью и временем нагрева поверхности детали, равномерностью распределения напыляемого слоя, свойствами обрабатываемого материала и т.д.

Необходимо учесть, что образование (нанесение) множества слоев с контролируемой геометрией формообразования возможно при условии точного математического анализа и проектирования на основе кинематики относи-

© Жачкин С.Ю., Краснова М.Н., Трифонов Г.И., Пеньков Н.А., 2018

тельного перемещения обрабатываемой детали и инструмента (плазматрона).

Из чего следует, что в областях методологии и методологического планирования при использовании газотермических технологий, в частности плазменного напыления, можно вынести конкретные проблемные вопросы, относящиеся к конкретной детали и её функциональному слою [1].

Данная работа посвящена актуальной проблеме влияния кинематических режимов на формирование плазменного покрытия, а также разработке и усовершенствованию расчетных методов по прогнозированию толщины напыляемого слоя и нагрева винтовой (сложнопро-фильной) поверхности обрабатываемой детали.

Постановка задачи

Одним из основных этапов разработки технологического процесса является получение равнотолщинного слоя покрытия при напылении. Решение поставленной задачи можно реализовать посредством управления параметрами процесса, для оптимизации которых необходимо определить зависимости кинематических режимов процесса.

При составлении математической расчетной модели по созданию плазменного слоя напыленного покрытия было принято решение об условном допущении:

- напыляемые частицы композитного порошкового материала имеют одинаковый диаметр;

- диаметр напыляемых частиц меньше диаметра создаваемого плазменного потока.

Поток частиц при заданном уровне неравномерности в основном проходит мимо детали. Следовательно, технология напыления неподвижным инструментом, а в нашем случае плазмотроном, применяется для получения высококачественных покрытий на экспериментальных образцах [2]. В основном, напыление покрытий производится с постоянной производительностью плазматрона, который перемещается со скоростью V.

Высота напыленного покрытия при этом в направлении движения остается постоянной, а поперечная толщина находится по формуле [3]:

#„

3 ^

ехР(--г) +

Л

+ ехр

+ ехр

* " А )2

Л

(х + А )2

2

Л

(1)

где Нтах - высота напыленного покрытия (мм); х - координата движения инструмента (плазмотрона) относительно плоскости напыления детали (мм); р2 - радиус пятна распыления (мм), 3 - коэффициент, характеризующий скорость увеличения толщины покрытия в центре

пятна распыла (>/мм3 / с ); А - шаг смещения (мм).

В результате линейного перемещения плазмотрона относительно сложнопрофильной поверхности детали напыляемый композитный материал осаждается в виде полувалика. Для получения покрытий на больших поверхностях напыление производят в два или несколько рядов. При этом смещение оси плазменного потока устанавливается так, чтобы при напылении произошло взаимное наложение и частичное перекрытие соседних полуваликов.

Также одним из основных этапов разработки технологического процесса плазменного напыления является анализ уравнения теплопроводности, влияния кинематических режимов плазменной обработки на сложнопрофиль-

ную геометрическую составляющую зоны оплавления, а главное решение уравнения нагрева поверхности детали.

Для прогноза высококонцентрированных потоков энергии на поверхности детали используется модель лучистого и конвективного теплообмена, основанная на теории пограничного слоя [4].

Опираясь на работы [4 - 5], запишем систему уравнений, которая в обобщенной форме описывает нагрев поверхности материала детали плазменной дугой:

Ч = Чк + Чл + ч

ч

к

а 1 С^^плаз Т пов )

(2)

Чл = ^2 Х °еТП

где ч - нагрев материала поверхности детали плазменной дугой (Дж); Чк - конвективный теплообмен (Дж); ЧЛ - лучистый теплообмен (Дж); Че - нагрев от электрического тока (Дж); а - коэффициент температуропроводности (м2/с); Тплаз - температура плазменной дуги на внешней границе пограничного слоя (К); Тпов -температура поверхности (К); & - интегральная поглощательная способность поверхности; -степень черноты плазмы; бс - постоянная Сте-фана-Больцмана; ТП - температура плазмы (К).

Поскольку в системе уравнений (2) все величины экспериментально определимы, и установить их значение можно с помощью лабораторных испытаний и справочных данных, то переходим к величине, которая нуждается в более подробном математическом анализе, а именно к температуре нагрева напыляемой детали.

Уравнение процесса распространения тепла в обрабатываемой детали от мощного быст-родвижущегося газотермического плазменного потока частиц, имеет вид [6]:

Т - Т =-

Q

ехр

V 4а11J

2лХу

#7+0

(3)

где Т - температура нагрева поверхности детали (К); у, z - ширина и глубина области нагрева (мкм); ^ - время (сек.); ^0 - длительность распространения фиктивного источника (сек.); Т0 -температура тела (К); Q - эффективная мощность плазменной дуги (Вт); и - скорость пе-

е

4

2

+

V

Х

ремещения источника теплоты (плазмотрона) (м/с).

Проанализировав формулы (1, 3), а также учитывая кинематические режимы и параметры плазменного напыления, их влияние на процесс формирования равнотолщинного покрытия, можно сделать вывод, что для разработки усовершенствованных математических зависимостей, позволяющих спрогнозировать значение толщины плазменного покрытия и температуры нагрева детали, требуется смоделировать:

1. Условия, обеспечивающие заданную толщину и шаг волнистости покрытия в виде системы уравнений.

2. Уравнения, которые в полной мере описывали бы кинематику движения плазмотрона V.

Методы исследования

При газотермической обработке, а в частности при использовании технологии плазменного напыления, одним из важных факторов является степень точности назначения кинематики движения узлов плазменной установки, а именно скоростей перемещения инструмента (плазмотрона) относительно обрабатываемой поверхности. Это связано с тем, что время нанесения единицы площади поверхности и толщина получаемого плазменного покрытия напрямую зависят от кинематики движения распылителя.

В работе [7] составлены и реализованы условия по обеспечению прогнозируемой толщины и шага волнистости наносимого покрытия:

v = , К P + Р2( V + (£ )2

at at dt

z = -

VP

I . dp dv 2

1 + (sin v--+ P cos v—)

dz dz

p = p(t, z)

(4)

где р, ф, z - цилиндрические координаты, в -шаг спирали траектории перемещения центра пятна напыления по поверхности.

Первое уравнение системы (4) рассчитывает скорость перемещения инструмента (плазмотрона), второе - перемещение центра пятна напыления по обрабатываемой поверхности,

третье - уравнение формообразования поверхности, подвергаемой плазменному напылению.

Основываясь на работах А.Ф. Пузрякова [7] и А.Ф. Ильющенко [8], была составлена таблица определения скорости перемещения плазмотрона для типичных поверхностей тел вращения.

Определение скорости перемещения плазмотрона

№ п/п Типовая поверхность Уравнение скорости перемещения плазматрона

1 Дисковая v ==i ( di )2 + PJ< JT >2

2 Коническая v = Jt >2 + P2( It >2 + dt dt +(T )2 t

3 Цилиндрическая v w P2( ОТ >2+(dz>2

4 Винтовая v=i p-( jt >2+(dz>2

Описание кинематики плазменного напы-

d v

ления для типичных поверхностей: dt - ско-

dz

рость вращения обрабатываемой детали, dt -продольная скорость перемещения инструмен-d p

та, dt - радиальная скорость перемещения инструмента.

Как видно из приведенной таблицы, уравнения скорости перемещения плазмотрона для цилиндрической и винтовой поверхностей в общем случае одинаковы. Но, как известно, для цилиндрической поверхности уравнение образующей имеет вид p = R = const , а для винтовой поверхности значение р требует более детального математического анализа в виду сложности нанесения защитного плазменного слоя, а также по причине условий эксплуатации данного типа детали.

Опираясь на описание и технологию изготовления деталей с винтовой поверхностью, а также на геометрию развертки винтовой линии, представленной на рисунке, выведем необходимые выражения для описания поверхности напыления.

Развертка витка винтовой линии (геликоида)

Так как винтовые линии развертываются в концентрические дуги при одинаковом центральном угле, то, следовательно, [9]:

Совместив уравнение системы (4), которое описывает цилиндрическую координату z, и разработанное уравнение напыления винтовой поверхности детали (6), получаем:

_ дД + (а -А)2 ±ч

&

З

&

(8)

Учитывая составленное уравнение (8), моделируем уточненное уравнение кинематики инструмента (плазмотрона) для винтовой поверхности детали [11]:

V =

(а-А)2 + (а -А)4

А

+ 1 Х —

(9)

Я

с

= С ас С - с

(5)

= г + а

где гI и Я] - радиусы дуг (мм), с - длина витка внутренней винтовой линии (мм), С - длина витка внешней винтовой линии (мм), а - ширина винтовой поверхности (мм).

Учитывая уравнение угла выреза

С - с а =-

1 г [9], ширину винтовой поверхности а и крутизну подъема ф] [10], выводим уравнение напыления винтовой поверхности детали:

Ч = а - А = -

С - С

а

(6)

а

где А - значение ширины винтовой поверхности, не подвергающееся напылению (мм), С] -длина витка внешней винтовой линии, не подвергаемая плазменному напылению (мм), D -внешний диаметр винтовой линии (мм), Dl -диаметр винтовой линии, не подвергаемый плазменному напылению (мм).

Осуществим преобразования [7]: _ _ 1

& & ¡З & (7)

В итоге корректируя уравнение движения плазмотрона V (4) относительно продольной скорости перемещения инструмента, получаем:

&

д/(а -А)4 + (а -А)2 + ¡2

Результаты

(10)

В итоге, используя полученные уравнения (9, 10), которые в полной мере описывают скорость перемещения плазматрона при напылении винтовой поверхности детали, при этом учитывая полученное уравнение напыления винтовой поверхности детали (6) и беря за основу уравнения (1, 3), получаем усовершенствованные уравнения для расчета прогнозируемой толщины плазменного покрытия и температуры нагрева детали:

Нп

3 х

(а -А )2 + (а -А )4

-1-+ 1 Х —

З2

ехр(--г) +

Л

+ ехр + ехр

-—(х - А )2 Л

(х + А )2

Р\

(11)

г

х

+

Х

T = To +

б

|(а-А)2 + (a-А)4 +1 х ^ " ß2

dt . (12)

exp

4a1t

Разработанные математические зависимости в перспективе можно использовать при планировании и корреляции технологии нанесения плазменного напыления на автоматизированных и роботизированных комплексах при обработке деталей со сложной геометрической образующей.

Сформированные в ходе научной работы математические зависимости и расчетные уравнения позволяют просчитать кинематические составляющие процесса плазменного напыления, учитывают геометрическую составляющую поверхности детали, а также прогнозируют величину толщины плазменного слоя и температуру нагрева детали при газотермической обработке.

Выводы

Получены математические зависимости, позволяющие определить кинематику перемещения плазмотрона относительно обрабатываемой поверхности.

На основе кинематики инструмента (распылителя) установки плазменного напыления разработаны усовершенствованные уравнения

прогнозирования толщины плазменного покрытия и температуры нагрева детали.

Литература

1. Нанесение покрытие плазмой / В.В. Кудинов, П.Ю. Пекшев, В.Е. Белащенко и др. М.: Наука, 1990. 408 с.

2. Слюдеев К.А., Ляпин А.А. Расчет скорости и температуры порошка диоксида циркония, движущегося в плазменной воздушной струе // Молодежный научно-технический вестник. Электронный журнал. Вып. № 8. 2012.

3. Воронкова М.Н. Упрочнение и восстановление деталей оборудования промышленности строительных материалов плазменным напылением: дис. ... канд. техн. наук: 05.03.06 / Воронкова Марина Николаевна. Белгород, 2005. 137 с.

4. Балановский А.Е. Плазменное поверхностное упрочнение металлов. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. 180 с.

5. Жачкин С.Ю., Трифонов Г.И., Пеньков Н.А. Применение технологии плазменного напыления для повышения эксплуатационной надежности сельхозмашин // Наука в Центральной России (Science in the central Russia). 2017. № 4 (28). С. 131-136.

6. Плазменное поверхностное упрочнение / Л.К. Лещинский, С.С. Самотугин, И.И. Пирч, В.И. Комар. К.: Тэхника, 1990. 109 с.

7. Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления: учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Е. Баумана, 2008. 360 с.

8. Процессы формирования газотермических покрытий и их моделирование / А.Ф. Ильющенко, А.И. Шевцов, В.А. Оковитый, Г.Ф. Громыко. Минск: Беларус. навука, 2011. 357 с.

9. Григорьев А.М. Винтовые конвейеры. М.: Машиностроение, 1972. 184 с.

10. Гевко Б.М. Технология изготовления спиралей шнеков. М.-Львов: Вища шк. Изд-во при Львов. ун-те, 1986. 128 с.

11. Моделирование кинематики плазменного напыления на сложнопрофильные поверхности / С.Ю. Жачкин, Г.И. Трифонов, М.Н. Краснова, Н.А. Пеньков // Труды ГОСНИТИ. 2017. Т. 128. С. 133-139.

х

Поступила 10.07.2018; принята к публикации 28.09.2018 Информация об авторах

Жачкин Сергей Юрьевич - д-р техн. наук, профессор кафедры автоматизированного оборудования машиностроительного производства, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]

Краснова Марина Николаевна - канд. техн. наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой автоматизированного оборудования машиностроительного производства, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]

Трифонов Григорий Игоревич - соискатель, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), младший научный сотрудник, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54 «А»), e-mail: [email protected]

Пеньков Никита Алексеевич - канд. техн. наук, научный сотрудник, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54 «А»), e-mail: [email protected]

INFLUENCE OF KINEMATICS OF THE TOOL MOVEMENT ON THE WEAR-RESISTANT COATING FORMATION

S.Yu. Zhachkin1, M.N. Krasnova1, G.I. Trifonov1,2, N.A. Pen'kov2

'Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2 Military Scientific Educational Center of Military-Air forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air academy", Voronezh, Russia

Abstract: it is known from literary sources that the most used methods for the restoration of machine parts are the technologies with the use of highly concentrated energy flows, for example, gas-thermal surface treatment. In the field of gasthermal surface treatment of parts, systems of equations are actively used to estimate the physical, mechanical and chemical features (parameters) of the coating the surface of parts. In this regard, the issues of developing improved systems of equations for estimating and predicting key parameters of the plasma spraying process come first in simulating the process of gas-thermal technology. In this paper, we consider the influence of kinematic regimes on the formation of a plasma coating on a complex-shaped surface of a part. In particular, the kinematics of applying a wear-resistant coating on the screw surface of the part was analyzed, and the effect of the coating speed on the thickness of the sprayed layer and the temperature of heating the part was considered. Compiled advanced calculation equations for predicting the thickness of the sprayed layer and the heating of the screw (complex-shaped) surface. The developed mathematical dependencies are planned to be used in the development of technological maps and subsequent correlations of the technology of applying plasma spraying on automated and robotic complexes when processing parts with complex geometrical generatrix

Key words: plasma spraying, speed, coating thickness, surface temperature, modeling, kinematics

References

1. Kudinov V.V., Pekshev P.Yu., Belashchenko V.E. et al. "Plasma coating" ("Nanesenie pokrytie plazmoy"), Moscow, Nau-ka, 1990, 408 p.

2. Slyudeev K.A., Lyapin A.A. "Calculation of the speed and temperature of zirconium dioxide powder, moving in a plasma air jet", Electronic journal "Youth scientific and technical Bulletin" (Molodezhnyy nauchno-tekhnicheskiy vestnik. Elektronnyy zhurnal), 2012, vol. 8.

3. Voronkova M.N. "Strengthening and restoration of the equipment parts of the materials industry by plasma spraying: Cand. tech. sci. diss." ("Uprochnenie i vosstanovlenie detaley oborudovaniya promyshlennosti stroitel'nykh materialov plazmennym napyl-eniyem: dis. kand. tekhn. nauk"), Belgorod, 2005, 137 p.

4. Balanovskiy A.E. "Plasma surface hardening of metals" ("Plazmennoe poverkhnostnoe uprochnenie metallov"), Irkutsk, Publishing house of ISTU, 2006, 180 p.

5. Zhachkin S.Yu., Trifonov G.I., Pen'kov N.A. "Application of the technology of plasma spraying to improve the operational reliability of the machinery", Science in the central Russia, 2017, no. 4 (28), pp.131-136.

6. Leshchinskiy L.K., Samotugin S.S, Pirch I.I., Komar V.I. "Plasma surface hardening" ("Plazmennoe poverkhnostnoe uprochnenie"), Kiev, Tekhnika, 1990, 109 p.

7. Puzryakov A.F. "Theoretical bases of plasma spraying technology: manual" ("Teoreticheskie osnovy tekhnologii plazmen-nogo napyleniya: ucheb. posobie"), Moscow, Publishing house of Bauman MSTU, 2008, 360 p.

8. Il'yushchenko A.F., Shevtsov A.I., Okovityi V.A., Gromyko G.F. "Processes of formation of gas-thermal coatings and their modeling" ("Protsessy formirovaniya gazotermicheskikh pokrytiy i ikh modelirovanie"), Minsk, Belarus. Navuka, 2011, 357 p.

9. Grigoriev M.A. "Screw conveyors" ("Vintovye konveyery"), Moscow, Mashinostroenie, 1972, 184 p.

10. Gevko B.M. "Technology of production of spirals of the screws" ("Tekhnologiya izgotovleniya spiraley shnekov"), Mos-cow-Lviv, Vishcha shk., 1986, 128 p.

11. Zhachkin S.Yu., Trifonov G.I., Pen'kov N.A., Krasnova M.N. "Modeling of the plasma spraying kinematics on the figurine surface", Trudy. GOSNITI, 2017, vol. 128, pp. 133-139.

Submitted 10.07.2018; revised 28.09.2018

Information about the authors

Sergey Yu. Zhackin, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]

Marina N. Krasnova, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]

Gregoriy I Trifonov, Graduate Student, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), Junior Researcher, Military scientific educational center of Military-Air forces "N.E.Zhukovsky and JU.A. Gagarin Military-Air academy" (54 «A» Staryh Bol'shevikov st., Voronezh 394064, Russia), e-mail: [email protected]

Nikita. A. Pen'kov, Cand. Sc. (Technical), Researcher, Military scientific educational center of Military-Air forces "N.E.Zhukovsky and JU.A. Gagarin Military-Air academy" (54 «A» Staryh Bol'shevikov st., Voronezh 394064, Russia), e-mail: [email protected]