CC BY
29
-□ □-
Проведено аналiз методiв поверхнево-го i об'емного армування для тдвищення зно-состiйкостi деталей. Обгрунтовано переваги застосування методу видцентрового армування заготовок деталей з двома взаемно перпендику-лярними осями обертання керамiчноi ливарног форми для забезпечення отримання змщненог зони iз заданими властивостями. Дослиджено вплив технологiчних параметрiв видцентрового армування сталевих деталей частинками кар-бiду вольфраму в процеы литва на концентра-цю та зношення робочог зони з використанням математичного планування експерименту
Ключовi слова: технологiчнi параметри, вiд-центрове армування, частинки карбпду вольфраму, концентращя, зносостштсть
□-□
Проведен анализ методов поверхностного и объемного армирования для повышения износостойкости деталей. Обоснованы преимущества применения метода центробежного армирования заготовок деталей с двумя взаимно перпендикулярными осями вращения керамической литейной формы для обеспечения получения упрочненной зоны с заданными свойствами. Исследовано влияние технологических параметров центробежного армирования стальных деталей частицами карбида вольфрама в процессе литья на концентрацию и износ рабочей зоны с использованием математического планирования эксперимента
Ключевые слова: технологические параметры, центробежное армирование, частицы карбида вольфрама, концентрация, износостойкость
-□ □-
1. Вступ
У машинобудувант в остант роки склалася тен-денщя до широкого використання змщнюючих тех-нологш для тдвищення зносостшкост та довговiч-ност деталей машин. Бурове i нафтогазопромислове обладнання експлуатуеться в складних умовах при високих тисках агресивних середовищ, як мктять у своему складi абразивт частинки прсько! породи. Для деталей цього обладнання характерною е значна втрата геометричних розмiрiв у результат зношуван-ня. Техшко-екош^чш показники роботи обладнання, машин, механiзмiв та шструменпв залежать вщ зносостшкосп робочих поверхонь деталей. Тому при конструювант та розроблент технолопчних процеав виготовлення деталей особливу увагу прид^яють пи-танням тдвищення 1х довговiчностi за рахунок фор-мування робочо! зони деталей з високими показни-ками якость Тому розроблення i оптимiзацiя методiв змщнення для тдвищення якост поверхонь деталей машин е актуальним i мае важливе як наукове, так i практичне значення.
УДК 621.763;519.28
|dOI: 10.15587/1729-4061.2016.59850|
ВПЛИВ ТЕХНОЛОПЧНИХ ПАРАМЕТР1В ПРОЦЕСУ В1ДЦЕНТРОВОГО АРМУВАННЯ НА ПОКАЗНИКИ ЯКОСТ1
ДЕТАЛЕЙ
Л . Я . Р о п ' я к
Кандидат техшчних наук, старший науковий ствроб^ник, доцент* E-mail: l_ropjak@ukr.net I. О. Ш у л я р Кандидат техычних наук, доцент* E-mail: bogdan.shuliar@gmail.com О. М. Богаченко 1нженер* E-mail: bogachenko51@i.ua *Кафедра комп'ютеризованого машинобудiвного виробництва lвано-Франкiвський нацiональний технiчний ушверситет нафти i газу вул. Карпатська, 15, м. 1вано-Франмвськ, УкраТна, 76019
2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми
Науково-техшчний прогрес у галузi машинобуду-вання сприяв розвитку технологш нанесення зносо-стiйких покритпв, як мiстять тугоплавкi сполуки, що характеризуються високою твердiстю. Останнiм часом найб^ьш поширеними методами нанесення зносо-стiйких шарiв е електродугове наплавлення [1-3], газополуменеве [4, 5], плазмове напилення [6], лазерне наплавлення [7], а також комбшащя цих методiв [8]. При цьому як армуючi частинки в основному вико-ристовують карбвди вольфраму i хрому на шкелевш, кобальтовiй, мельхiоровiй [9] i залiзнiй основi. Осюль-ки вказаш карбiди проявляють значну хiмiчну актив-нiсть, в деяких випадках для забезпечення отримання спещального комплексу властивостей застосовують сполуки нiобiю та титану [10, 11] на зв'язщ з високоле-гованих сталей. Однак вказаш технологи дозволяють отримувати шари вщносно невеликих товщин i вони мають обмежене застосування для пiдвищення зносо-стiйкостi деталей бурового обладнання. В робот [12] запропоновано використовувати композицшш алма-
!с Л. Я. Роп'як. i. О. шуляр. О. М. Богаченко. 20X6
зовм1сн1 матер1али, як1 характеризуються високою зносостшюстю, але е дорого варисними 1 застосову-ються у складних умовах роботи.
Серед функцюнально ор!ентованих технологш, яю забезпечують формування змщнено! робочо! зони деталей машин з високими показниками якоси, слвд вщмь тити ввдцентрове армування. Розр1зняють вщцентрове армування з одшею постшною вксю (вертикальною або горизонтальною) [13], ¿з змшною вксю (похилою) [14] та з двома взаемно перпендикулярними осями обертання ливарно! форми [15]. Для вщцентрового армування застосовують армуюч1 частинки з питомою вагою б1ль-шою ввд сталево! зв'язки [13-15] або навпаки [16].
Для оцшювання впливу технолопчних параметр1в вщцентрового армування заготовок з одшею постш-ною (вертикальною) в1ссю обертання ливарно! форми на стшюсть до абразивного та втомного зношування використовувалась лшшна модель [13], однак за нею неможливо оптим1зувати технолопчний процес. Ре-зультати дослщження процесу вщцентрового армування, представлен в робой [14-16], також вказують на складш залежноси руху твердих армуючих части-нок у розплавленш сталь
Проведен теоретичш дослщження процесу вщцен-трового армування з двома взаемноперпендикуляр-ними осями обертання [17] свщчать про нелшшний характер впливу технолопчних параметр1в процесу, зокрема, частот обертання ливарно! керам1чно! форми навколо вертикально! та горизонтально! осей на траек-торп руху частинок, для забезпечення !х попадання в робочу зону заготовки деталь Однак у цих теоретич-них дослщженнях не враховували впливу температу-ри нагр1вання ливарно! керам1чно! форми та армуючих частинок на формування армовано! зони виливок, що ускладнюе оптим!защю технолопчних параметр1в процесу ввдцентрового армування.
Наведен у техшчнш та патентнш л1тератур1 даш не дають можлившть здшснювати оптим1защю технолопчних параметр1в процесу вщцентрового ар-мування виливок, що стримуе широке застосування технологп вщцентрового армування з двома взаемно перпендикулярними осями обертання ливарно! кера-м1чно! форми.
У зв'язку з цим виникае необхщшсть проведення дослщжень впливу технолопчних параметр1в процесу вщцентрового армування з урахуванням чисел оберт1в навколо горизонтально! та вертикально! осей 1 температур нагр1вання ливарно! керам1чно! форми та армуючих частинок.
3. Цшь та задачi дослщження
Метою дано! роботи е побудова математично! моде-л1 процесу вщцентрового армування з двома взаемно перпендикулярними осями обертання ливарно! ке-рам1чно! форми 1 встановлення оптимальних значень технолопчних параметр1в для забезпечення отриман-ня максимально! концентраци частинок карбвду вольфраму в робочш зош вставних зубщв бурових доли та !х м!шмальне зношування.
Для досягнення мети були поставлен! таю завдання: - побудувати математичну модель та дослщити вплив технолопчних параметр1в процесу вщцентро-
вого армування на величину концентраци частинок карбвду вольфраму в робочш зош та !! зносостшюсть;
- визначити оптимальн! значення технолопчних параметр1в процесу ввдцентрового армування, як забезпечують максимальну величину концентраци частинок карбщу вольфраму в робочш зош та м1шмальне !! зношування.
4. Матерiали та методи дослщження впливу технолопчних параметрiв вiдцентрового армування
на концентращю частинок карбiду вольфраму та зношення робочо! зони
4. 1. Дослщжуваш матерiали та обладнання, що ви-користовувались в експериментальних дослщженнях
Для дослщження впливу технолопчних параметр1в процесу вщцентрового армування на експлуатацшш властивост! вставних зубщв бурових доли використо-вували розроблену на кафедр! комп'ютеризованого машинобуд1вного виробництва 1вано-Франювського нацюнального техшчного ушверситету нафти ! газу (Укра!на) установку з двома взаемно перпендику-лярними осями обертання ливарно! форми, яка була модершзована ! споряджена автоматизованою системою керування [15]. Матер1алом матриц! слугувала сталь 18ХН2МФЛ. Температура розплаву матрично! стал! в процес! вщцентрового армування становила 1600-1630 °С. Як армуюч! частинки застосовували карбвд вольфраму з питомою густиною р=15,7 г/см3. Гранулящя армуючих частинок складала 1,0 мм. Ли-варн! керам1чш форми виготовляли за витоплювани-ми моделями за стандартною технолопею.
4. 2. Методики дослщжень
Концентращю частинок карбвду вольфраму (Ук, %) в робочш армованш зон! зразюв визначали плашме-тричним методом на металограф1чних мжрошл1фах. Випробовування на зношування (Уз, г) проводили на установщ за методикою, описаною в робот! [12].
4. 3. Методика планування експериментальних дослщжень
Як план проведення експерименту для отримання регресшних моделей (тобто залежностей концентрацГ! частинок карбвду вольфраму та зносостшкост вщ час-тоти обертання ливарно! керам1чно! форми навколо горизонтально! пх ! вертикально! осей п2) температу-ри нагр1вання ливарно! керам1чно! форми Тф ! армуючих частинок карбвду вольфраму Х! для оптим1зацГ! технолопчних параметр1в процесу вщцентрового ар-мування був вибраний ротатабельний центральний композицшний план (РЦКП) [18]: YК = f(n ,п ,Тф,Т); Yз = ^п.^Т,).
При такому вид! експерименту дослщи проводять за матрицею, яка мктить три групи дослвдв, як роз-мщеш симетрично ! на однаковш вщдал! вщ центра експерименту:
1) ядро мае повнофакторний експеримент 24;
2) дослщи, що проводяться у «з1ркових» точках факторного простору;
3) дослвди у центр! експерименту.
Загальна юльюсть дослвдв у ротатабельному центральному композицшному експеримент! залежить
вщ юлькоси факторiв. Вибiр числа i координат <^рко-вих» точок повинно задовольняти наступним вимогам:
а) загальна кшьюсть дослдав значно перевищуе число коефвденив регресп;
б) фактори змшюються на невеликому числi рiвнiв.
Залежно вщ прийнятого принципу оптимально-
си матрицi плану експерименту, тобто вщ способу вибору величини зiркового плеча а i числа дослiдiв в центрi експерименту, розрiзняють ротатабельний i ор-тогональний план. Найбiльшого поширення в практицi дослiджень набув ротатабельний план експерименту зпдно з яким матриц РЦКП повиннi мати властивкт ротатабельностi, тобто на основi отримано! математич-но! моделi значення параметра оптимiзацii у рiзних точках факторного простору, розмщених на однаковш ввд-далi вiд центра експерименту, повинш мати мiнiмальнi та рiвнi дисперсп. Число дослiдiв в центрi експерименту повиннi забезпечувати диспераю передбачуваного значення У всерединi област експерименту постiйну i незалежну ввд вiддалi до центра експерименту.
РЦКЕ проводять на п'яти кодованих рiвнях (-а, -1, 0, +1, +а), тому штервал змiни факторiв повинен бути таким, щоб дiапазон змши його охоплював стацiонар-ну область факторного простору (табл. 1).
Таблиця 1
План-матриця проведення технолопчних експериментiв типу РЦКП
Номер дослщу
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
Р1вш фактор1в
хо
х1
0
х2
0
хз
0
х4
0
Параметр оптим1зацй, У
повторювашсть дослщв
У1
У2
Уз
У4
У5
У6
У7
У8
У9
У10
У11
У12
У13
У14
У15
У16
У17
У18
У19
У20
У21
У22
У23
У24
У25
У26
У12
У22
У32
У42
У52
У62
У72
У82
У92
У102
У112
У122
У132
У142
У152
У162
У172
У182
У192
У202
У212
У222
У232
У242
У252
У262
У13
У23
У33
У43
У53
У63
У73
У83
У93
У103
У113
У123
У133
У143
У153
У163
У173
У183
У193
У203
У213
У223
У233
У243
У253
У263
середие значення
Усер
У1с
У2с
У3с
У4с
У5с
У6с
У7с
У8с
У9с
У10с
У11с
У12с
У13с
У14с
У15с
У16с
У17с
У18с
У19с
У20с
У21с
У22с
У23с
У24с
У25с
У26с
Оскiльки технологiчнi параметри процесу вщцен-трового армування (незалежш фактори пх, пу, Тф, Та)
мають рiзнi одиницi вимiрювання, а !х числовi значення рiзнi величини, то для спрощення проведення розрахунюв при визначеннi коефiцiентiв полшома здiйснюють перехiд вiд дiйсних значень до кодованих.
Залежшсть мiж кодованими х, та натуральними X, значеннями змшних для 1-го фактору визначали за формулою [8]
X, - X,, ' АХ,
(1)
де X, - натуральне значення фактора на нижньому (верхньому) рiвнi; Х10 - натуральне значення фактора на нульовому рiвнi; АХ, - штервал вартвання нату-ральних значень фактора ввдносно нульового рiвня.
Нульовий рiвень натурального значення фактора розраховували за формулою [8]
^ =
Х_
-Х„
(2)
де Хтах1 - максимальне натуральне значення (верхнш рiвень) фактора; Хт,п, - мтмальне натуральне значення (нижнiй рiвень) фактора.
1нтервал варiювання 1-го фактора визначали за формулою [8]
АХ =
Хтах1 - Хт 2
(3)
Основними параметрами технолопчного процесу вiдцентрового армування, яю були вибранi як змшш фактори при проведеннi експерименту вибрано:
Х4 - кiлькiсть обертiв ливарно! керамiчноi форми навколо горизонтально! осг,
Х2 - кiлькiсть обертiв ливарно! керамiчноi форми навколо вертикально! осг,
Х3 - температура нагрiвання керамiчноi ливарно! форми;
Х4 - температура на^вання армуючих частинок карбiду вольфраму.
Границ варiювання технологiчних параметрiв процесу вщцентрового армування вибирали з таких мiр-кувань:
- частоти обертання ливарно! форми навколо горизонтально! та вертикально! осей вибирали за результатами комп'ютерного моделювання процесу вщцентрового армування [17] та з урахуванням реко-мендацш [13, 15, 16];
- температуру на^вання ливарно! керамiчноi форми вибирали iз умови забезпечення рацюнального легування металозв'язки в армованiй зош деталi. За результатами дослiджень [13] вона складае 100-400 оС. Шдвищення температури вище показника 350-400 оС призводить до пiдвищення iнтенсивностi розчинення армуючих частинок карбiду вольфраму в розтопленш сталi;
- температуру на^вання армуючих частинок кар-бвду вольфраму вибирали за рекомендацiями [13] з умови: зменшення ефекту «холодильниюв» при потра-пляннi частинок в розплавлений метал (нижне значення 100 оС), запобиання iнтенсивному розчиненню у розплавленiй сталi (верхне значення 300 оС).
2
1
2
3
1
2
3
4
5
1
6
1
7
1
8
1
9
1
1
1
1
0
0
0
2
0
0
0
0
0
0
0
2
0
0
0
0
0
0
0
2
0
0
0
0
0
0
0
2
0
0
0
0
Дослщи проводили за фжсованих розмiрiв арму-ючих частинок, оскiльки траeкторii руху армуючих частинок залежать вiд iх геометричних розмiрiв (ваги) [17], тому як фактор в регресшну модель не вводили дь аметр армуючоi частинки, а приймали за результатами наших методичних дослвдв - 1 мм.
РЦКЕ провели на п'яти рiвнях вартвання факто-рiв. У зiркових точках iз урахуванням для чотирьох факторiв величини плеча експерименту а = 2 та в цен-трi експерименту.
Вибранi фактори вiдповiдають вам вимогам, якi висуваються до них. Точшсть пiдтримання техноло-гiчних параметрiв процесу вiдцентрового армування складала 3-5 %. 1нтервали варiювання наведенi в табл. 2.
Таблиця 2
Кодовi та натуральж значення факторiв i рiвнi Тх варiювання
Р1вш фактор1в Кодов1 значення Натуральш значення
х1 х2 х3 х4 Пх, об/хв Пъ, об/хв !ф, °С !а, °С
Основний р1вень 0 0 0 0 180 600 270 210
1нтервал варшвання 1 1 1 1 60 150 65 50
Верхнш р1вень + 1 + 1 + 1 + 1 240 750 335 260
Нижнш р1вень -1 -1 -1 -1 120 450 205 160
З1рков1 точки (+) +2 +2 +2 +2 300 900 400 310
З1рков1 точки (-) -2 -2 -2 -2 60 300 140 110
Щоб виключити вплив нерегульованих i неконтр-ольованих факторiв (перепади напруги живлення обладнання, температури води для охолодження ш-дуктора та температури в лабораторп) на значення параметрiв оптимiзацii, проводили рандомiзацiю план-матрищ методом випадкового балансу, реалiзо-ваним способом випадкових чисел.
Для опису технолопчного процесу вiдцентрового армування (чотири фактори) використовували поль ном другого порядку
у = Ь0 + Ь1 ■ х1 + Ь2 ■ х2 + Ь3 ■ х3 +
+ Ь4 ■ х4 + Ь12 ■ х1 ■ х2 + Ь13 ■ х1 ■ х3 +
+ Ь14 ■ х1 ■ х4 + Ь23 ■ х2 ■ х3 + Ь24 ■ х2 ■ х4 +
Ьзз ■ хз
"Ь44 ■ х4
(4)
де Ь0, Ь1-Ь4, Ь12-Ь34, Ь11-Ь44 - коефiцieнти, яю ха-рактеризують вiльний член рiвняння, лiнiйнi ефекти, ефекти взаeмодii та квадратичш ефекти вiдповiдно; х1, х2, х3, х4 - контрольованi фактори (технолопчш пара-метри процесу ввдцентрового армування).
Загальне число коефiцieнтiв регресп в полiномi (4) визначали iз виразу
Мк = |(М + 1)(М + 2),
(5)
де М - юльюсть факторiв експерименту (для чотирьох факторiв, Мк =15).
Матриц РЦКП не володiють властивктю орто-гональностi, тому коефiцieнти апроксимуючого по-
лiнома (4) та '¿х дисперсii розраховували за вiдомими формулами.
Значушдсть коефiцieнтiв регресii визначали за кри-терieм Стьюдента. Для цього розрахункове значення зштавляли з табличним або значення коефвденив регресii з абсолютною його довiрчою помилкою. Таб-личне значення критерт Стьюдента визначають при рд=0,95 i числi степенiв в^ьност дисперсii вихiдного параметра, за якою визначалась дисперсiя коефвден-та регресп. Ппотезу про адекватнiсть моделi другого порядку (тобто вщповщшсть математичноi моделi реальному технологiчному процесу вщцентрового армування) перевiряли за критерieм Фiшера.
Дослiди (однакове число) проводили у вих трьох групах дослвдв матрицi планування РЦКЕ, а розрахункове значення критерт Фiшера визначали за вщо-мою методикою. Ппотеза про адекватнiсть отриманоi моделi другого порядку не вщкидаеться, якщо розрахункове FR <FT, де FТ - табличне значення.
За результатами розрахунюв, якi проводилися на ПК з використанням прикладноi статистичноi програ-ми (STATISTIKA), будували поверхш вiдгуку параметра оптимiзацii та '¿х двомiрнi перерiзи, а також визначали оптимальш значення технолопчних параметрiв процесу вiдцентрового армування.
5. Результати дослщження показникiв якостi вщцентрово армованих зразкiв з двома взаемно перпендикулярними осями обертання ливарно! форми
З метою тдтвердження теоретичних обгрунтувань технологiчних параметрiв процесу вiдцентрового армування [17] i встановлення закономiрностей змiни концентрацii частинок карбiду вольфраму ук в робочiй зонi комбшованого зубця та його зносостiйкостi уз, в залежностi вiд кiлькостi оберпв ливарноi керамiчноi форми навколо горизонтальноi пхта вертикальноi пъ осей, температури ливарноi керамiчноi форми Тф i температури армуючих частинок Та виготовили лабора-торнi експериментальнi взiрцi вставних зубцiв бурових дослiт, отриманих зпдно з розробленою технологieю ввдцентрового армування та дослiдили кiлькiсть карбь ду вольфраму в робочiй армованш зонi (YK, %) планiме-тричним методом, а також провели випробовування на зношування (Yз, г) ро6очо' армованоi зони зубщв.
Функцп вiдгуку як параметр оптимiзацii (концен-трацiю ук та зносостшюсть уз) будували на основi результатiв експериментальних дослiджень у виглядi полiнома другого порядку (4).
Визначили невiдомi коефiцieнти полiнома у кодо-ваному виглядi. Пiсля ранжування i визначення зна-чушостi при рiвнi 0,05 коефiцieнти зведенi до табл. 3.
Остаточш рiвняння регресii, як вiдображають за-лежнiсть концентрацii армуючих частинок карбщу вольфраму в робочш армованiй зонi комбiнованого
зу6ця укКХ1Х2Х3Х4) = f(nхnzTфTа), а також йОТ° зношу-вання у .. . „ . , = f(n п II) залежно вiд змiни час-
з1(х1х2х3х4) 4 х ъ ф а'
тоти обертання ливарноi керамiчноi форми навколо горизонтальноi пх i вертикальноi пъ осей, а також температури на^вання керамiчноi ливарноi форми Тф i частинок карбiду вольфраму Та за результатами проведених РЦКП у кодованих величинах набувають вигляду:
- для концентрацп
ук = 60,5 + 1,367х1 + 2,867х2 -
-3,340х2 - 5,240х2 - 1,802x3 - 1,065x4; (6)
- для зношування
уз = 2,120 -0,168х1 -0,275х2 -0,046х3 -
-0,067х2х4 + 0,154x2 + 0,156x2 + 0,070x3 + 0,079x2. (7)
Ук =-123,419 + 0,386п1 + 0,285п2 --0,001п2 - 0,00023п2 - 0,00003Тф - 0,0001812 - для зношування
Y = 10,494-0,0022п -0,00899п -
з ^ 2
-0,01156ТФ - 0,00001п2Т
+0,00004п2-
+0,00002Тф -
' Ф
Таблиця 3
0,00001п2 + 0,00003Т2.
(13)
Коефiцieнти апроксимуючого полiнома другого порядку
^\Коефщент Параметр Ьс Ь1 Ь2 Ь3 Ь24 Ьц Ь22 Ь33 Ь44
Концентрация, Ук 60,5 1,367 2,867 - - -3,34 -5,24 -1,802 -1,065
Зношування, Уз 2,12 -0,168 -0,275 -0,046 -0,067 0,154 0,156 0,070 0,079
Вщтак визначали основний р1вень та штервал його вар1ювання для кожного фактора за формулою (2) 1 (3) вщповщно:
- для частоти обертання ливарно! керам!чно! фор-ми навколо горизонтально! ос1 п1
Х01 =
240+120
= 180 об/хв;
- для частоти обертання ливарно! керам!чно! фор-ми навколо вертикально'! ос1 п2
Х02 =
750 + 450
= 600 об/хв;
- для температури нагр1вання керам1чно1 ливарно1 форми Тф
335 + 205
Х03 --
-= 270 оС;
- для температури П1д1гр1вання армуючи частинок карбщу вольфраму Та
Х04 =
260 +160
- 210 оС.
Кодоваш значення кожного фактору набували ви-гляду вщповщно до формули (1)
240 -120 пх АХ1 --- 60 об/хв; x1 - —
-180
АХ2 -
АХ3 -
АХ4 -
2
750 - 450
2
335 - 205
2
260 - 160
-150 об/хв; x2 -
60
п - 600
2
- 65 оС; x3 -
- 50 оС; x4 -
150
Тф - 270 65 '
Та - 210 _50 .
(8)
(9)
(10)
(11)
Шсля постановки формул (7)-(10), перетворень 1 спрощень вираз1в (5) 1 (6) р1вняння регресП для Yк 1 Yэ у натуральних величинах набувають остаточного вигляду:
- для концентрацп
Знайдеш р1вняння регресп як в ко-дованих, так 1 в натуральних величинах можуть використовуватися для визна-чення концентрацП армуючих частинок Ук 1 зношування зубця Уз залежно ввд змши частоти обертання ливарно'1 кера-м1чно'1 форми навколо горизонтально'! п1, вертикально! п2 осей, температури нагр1вання ливарно! керам1чно! форми Тф та армуючих частинок карбщу вольфраму Та, яю перебувають в межах 120< п1 <240 об/хв, 450< п2 <750 об/хв, 205< Тф <335 °С, 160< Та <260 °С вщ-поввдно.
Для визначення впливу параметр1в технолопчного процесу (змшних фактор1в) на параметри оптим!зацП будували поверхш вщгуку параметр1в оптим!зацП та !х двом1рш перер1зи залежно вщ двох змшних чинни-Юв xi(12) при постшних основних р1внях шших двох чинниюв xi(34).
Шсля опрацювання експериментальних даних ! перев1рки значущост! коефвденив регресП та адекват-ност вибрано! математично! модел! другого порядку даному технолопчному процесу вщцентрового арму-вання отримали пром1жш р1вняння регресп концентрацП армуючих частинок Ук ! величини зношування Yэ робочо! зони комбшованого зубця в залежност! ввд впливу двох змшних фактор1в.
Ввдповвдно за р1вняннями регресП побудовано поверхш вщгуку та двом1рш перер1зи цих поверхонь концентрацП армуючих частинок в робочш армованш зон! та величини зношування робочо! зони зубця залежно вщ двох чинниюв, коли шш1 два залишаються стали-ми, р1вними значенням на основному р1вш (рис. 1 ! 2).
6. Обговорення результаив дослщження впливу технологiчних параметрiв процесу вiдцентрового армування на концентращю частинок твердого сплаву в робочш зош та зношування зразкiв
Анал1з результаив, одержаних за р1вняннями поверхш вщгуку, сввдчать, що величина концентрацП частинок карбщу вольфраму залежить вщ параметр1в технолопчного процесу, причому бшьше впливають кшематичш складов! параметр1в п1 ! п2, шж темпера-турш Тф ! Та (рис. 1, 2). Аналопчний вплив техноло-пчш параметри мають ! на величину зношування. Слвд зауважити, що при максимальнш величин! концентрацП частинок карбвду вольфраму в армованш зон! забезпечуеться м1шмальне зношування.
Як видно ¿з рис. 3 та 4, змша величини концентрацП армуючих частинок ! величини зношування робочо! зони комбшованого зубця залежать вщ параметр1в
технолопчного процесу, яю змшюються за параболiч-ним законом i в точках екстремуму даних параметрiв вiдповiдно концентращя армуючих частинок буде най-б^ьшою, а величина зношування - найменша ввдпо-вiдно.
а
Визначенi значення оптимальних технолопчних параметрiв за теоретичними результатами [17] та за експериментальними даними, отриманими зпдно з планом проведення планування експерименту та об-робки його результапв представлен в табл. 4.
б
Рис. 1. Поверхж вщгуку залежностi концентрацiТ карбiду вольфраму в робочш частинi зубця вщ технологiчних параметрiв процесу вiдцентрового армування: а — п2, пх, Тф=270 °С i Та=210 °С; б — Тф, пх, п2=600 об/хв i Та=210 °С; в - пх, Та, п2=600 об/хв i Тф= 270 °С; г - п2, Тф, пх=180 об/хв i Та=210 °С; д - п2, Та, пх=180 об/хв i Тф= 270 °С;
е — Та, Тф, пх=180 об/хв i п2=600 об/хв
Рис. 2. Поверхж вщгуку залежносп зносу робочоТ частини зубця вiд технолопчних параметрiв процесу вiдцентрового армування: а — п2, пх, Тф=270 °С i Та= 210 °С; б — Тф, пх, п2=600 об/хв i Та= 210 °С; в — пх, Та, п2=600 об/хв i Тф=270 °С; г - п2, Тф, пх=180 об/хв i Та=210 °С; д - п2, Та, пх=180 об/хв i Тф= 270 °С; е - Та, Тф, пх=180 об/хв i п2=600 об/хв
ВО, 192.2 300, 300, 642.19 900, ИО, 283.91 400. 110. 213.05 310.
а б в г
Рис. 3. Проф^ функцп залежносп концентрацп армуючих частинок вщ napaMeTpiB технологiчного процесу:
а - Пх; б - nz; в - Тф; г - Та
б
в
Рис. 4. Проф^ функцп залежносп зношування робочо!' зони вставного зубця вщ параметрiв технолопчного процесу:
а - Пх; б - nz; в - Тф; г - Та
а
г
Табличш даш сввдчать, що отриманi експериментально оптимальш значення частот обертання ливарноï KepaMi4Hoï форми навколо горизонтальноï та вер-тикальноï осей для максимального значення концентрацп армуючих частинок YK i мiнiмальноï величини зношування армованоï робочоï зони Y3 мають бiльшi величини вiд теоретичних. Це пов'язано з тим, що тд час математичного моделю-вання траeкторiй руху армуючих частинок [17] не враховувалася змша в'язкостi сталi в процеа вiдцентрового армування осюльки введенi в розплавлену сталь частинки карбщу вольфраму мають температуру нижчу за сталь i дтть як свое-рiднi «холодильники». Деяка вщмшшсть мiж значеннями оптимальних технолопчних параметрiв процесу, отриманих для концентрацп та зношування обумов-лена не пльки самою концентрацiею частинок карбвду вольфраму в матрицi, а й легуванням сталевоï зв'язки робочоï зони.
Таблиця 4
Теоретичнi та експериментальн значення оптимальних технологiчних параметрiв процесу вiдцентрового армування
Спосiб визна-чення Технологiчнi параметри
Число обер-тiв навколо горизонтально!' ос nx, об/хв Похиб-ка nx, % Число обер-™ навколо вертикально!' ос! nz, об/хв Похиб- ка nz, % Температура форми Тф, °С Температура частинок Та, °С
Теоретичный [6] 180 — 600 — — —
Експеримен-тальний за максимальною концентрацiею 192 7 642 7 284 213
Експеримен-тальний за мiнiмальним зношенням 217 20 702 17 270 208
Зносостiйкiсть вщцентрово армованих зразкiв бiльшою мiрою залежить вщ концентрацiï карбiду вольфраму. При концентрацп карбщу вольфраму
твердого сплаву близько 60 % зносостшюсть збшьшу-еться в 1,5 рази порiвняно з 30 % концентращею. Ана-логiчнi данi були тримаш автором в роботi [13] шд час формування армовашл зони з одшею вертикальною вiссю обертання ливарно! керамiчноï форми, але ця армована зона була несиметричною. Застосування вщцентрового армування з двома взаемно перпен-дикулярними осями обертання ливарно! керамiчноï форми забезпечуе формування осесиметрично! армо-вано! зони.
Таким чином, дослщженнями показано можли-вiсть спрямованого керування процесом формування робочо! армовано! зони шляхом змши технолопчних параметрiв ввдцентрового армування.
Саме тому отриманi даш планiметричного ви-значення величини концентрацП армуючи частинок карбiду вольфраму в робочш зош та результати випробовування на зношування ще! зони можуть вважатися за доказову базу можливост практичного застосування оптимальних значень технолопч-них параметрiв процесу вщцентрового армування з двома осями обертання ливарно! керамiчноï форми для виготовлення вставних зубщв бурових доли на спецiалiзованих шдприемствах. Серед останнiх слщ видiлити: ТзОВ «Бурова техшка» (м. Дрогобич, Украша), ТзОВ «1нтербур» (м. 1вано-Франювськ, Укра!на).
Слiд зазначити, що ввдцентрово армована частин-ками карбщу вольфраму зона в сталевих виливках використовуеться шсля мехашчно! обробки (за потреби) як робоча частина деталей. Армована частинками оксидiв зона в алюмтевих виливках може служити
основою для подальшого формування покриттiв плаз-мово-електролиичним оксидуванням.
У подальших дослiдженнях плануеться розгляну-ти вплив величини грануляцП частинок карбiду вольфраму на зносостшюсть породоруйнiвних елементiв бурових доли.
7. Висновки
Проведеними дослвдженнями щодо впливу техно-логiчних параметрiв процесу вщцентрового армування з двома взаемно перпендикулярними осями обертання ливарно! керамiчноï форми на показники якост деталей машин встановлено, що:
1. Величина концентрацП частинок карбвду вольфраму в робочш армованш зош залежить ввд техноло-пчних параметрiв процесу вiдцентрового армування, причому бшьше впливають кiнематичнi складовi па-раметрiв nx i nz, нiж температурнi Та i Тф. Аналопчний вплив технологiчнi параметри мають i на величину зношування. При максимальнш величинi концентрацП карбщу вольфраму в армованiй зонi забезпечуеться мжмальне ïï зношування.
2. При використанш частинок карбiду вольфраму гранулящею 1,0 мм для вiдцентового армування вставних зубщв бурових доли з двома взаемно перпендикулярними осями обертання ливарно! керамiчноï форми оптимальними е таю технолопчш параметри процесу: nx = 217 об/хв; nz = 702 об/хв; Тф = 270 °C; Та = 208 °C, якi забезпечують максимальну концентращю карбщу вольфраму в робочш зош та мжмальне ïï зношування.
Лиература
1. KirchgaBner, M. Behaviour of iron-based hardfacing alloys under abrasion and impact [Text] / M. KirchgaBner, E. Badisch, F. Franek // Wear. - 2008. - Vol. 265, Issue 5-6. - P. 772-779. doi: 10.1016/j.wear.2008.01.004
2. Hajihashemi, M. Physical, Mechanical, and Dry Sliding Wear Properties of Fe-Cr-WC Hardfacing Alloys Under Different Tungsten Addition [Text] / M. Hajihashemi, M. Shamanian, G. Azimi // Metallurgical and Materials Transactions B. - 2015. - Vol. 46, Issue 2. - P. 919-927. doi: 10.1007/s11663-014-0230-9
3. Семеген, О. М. Дослщження та моделювання впливу конструктивного оформлення i технолопчних параметр1в виготовлення на показники зношування армованого озброення шарошкових дол^ [Текст] / О. М. Семеген, З. М. Одосш, В. В. Кустов // Проблеми мщносл. - 2014. - № 4 (430). - С. 162-171.
4. Mahdipoor, M. S. HVOF sprayed coatings of nano-agglomerated tungsten-carbide/cobalt powders for water droplet erosion application [Text] / M. S Mahdipoor, F. Tarasi, C. Moreau, A. Dolatabadi, M. Medraj // Wear. - 2015. - Vol. 330-331. - Р. 338-347. doi: 10.1016/j.wear.2015.02.034
5. Berger, L.-M. Application of hardmetals as thermal spray coatings [Text] / L.-M.Berger // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. - 2015. - Vol. 49. - P. 350-364. doi: 10.1016/j.ijrmhm.2014.09.029
6. Heydarzadeh Sohi, M. Comparative tribological study of air plasma sprayed WC-12% Co coating versus conventional hard chromium electrodeposit [Text] / M. Heydarzadeh Sohi, F. Ghadami // Tribology International. - 2010. - Vol. 43, Issue 5-6. -P. 882-886. doi: 10.1016/j.triboint.2009.12.049
7. Amado, J. M. Crack free tungsten carbide reinforced Ni (Cr) layers obtained by laser cladding [Text] / J. M. Amado, M.J. Tobar, A. Yanez, V. Amigo, J.J. Candel // Physics Procedia. - 2011. - Vol. 12. - P. 338-344. doi: 10.1016/j.phpro.2011.03.043
8. Afzal, M. Surface modification of air plasma spraying WC-12% Co cermet coating by laser melting technique [Text] / M. Afzal, M. Ajmal, A. Nusair Khan, A. Hussain, R. Akhter // Optics & Laser Technology. - 2014. - Vol. 56. - P. 202-206. doi: 10.1016/ j.optlastec.2013.08.017
9. Prysyazhnyuk, P. Calculation of surface tension and its temperature dependence for liquid Cu-20Ni-20Mn alloy [Text] / P. Prysyazhnyuk, D. Lutsak, A. Vasylyk, Taer Shehab, M. Burda // Metallurgical and Mining Industry. - 2015. - Vol. 12. -P. 346-350.
10. Kryl, Ya. A. Structure formation and properties of NbC-Hadfield steel cermets [Text] / Ya. A. Kryl, P. M. Prysyazhnyuk // Journal of Superhard Materials. - 2013. - Vol. 35, Issue 5. - P. 292-297. doi: 10.3103/s1063457613050043
11. Liu, D. Microstructure and wear properties of Fe-15Cr-2.5 Ti-2C-xBwt.% hardfacing alloys [Text] / D. Liu, R. Liu, Y. Wei, Y. Ma, K. Zhu // Applied Surface Science. - 2013. - Vol. 271. - P. 253-259. doi: 10.1016/j.apsusc.2013.01.169
12. Майстренко, А. Л. Формирование структуры композиционных алмазосодержащих материалов технологических процессах [Текст] / А. Л. Майстренко; под ред. Н. В. Новикова. - К.: Наукова думка, 2014. - 343 с.
13. Ясашин, В. А. Конструкторские и технологические методы повышения эффективности работы бурових шарошечних долот большого диаметра [Текст]: автореф. дисс. ... д-ра техн. наук: спец. / В. А. Ясашин. - М., 2009. - 48 с.
14. Пат. 72194 Украша, МПК В 22 D 13/02. Машина для вщцентровго литва i армування виливгав [Текст] / I. О. Шуляр, Л. О. Борущак, С. Л. Борущак; заявник i патентовласник - автори. - u201200992; заявл. 31.01.12; опубл. 10.08.12, Бюл. № 15. - 3 с.: ил.
15. Шуляр, I. О. Вщцентове армування озброення бурових шструменпв [Текст]: матер1али II мiжн. наук.-практ. конф. / I. О. Шуляр, В. В. Кустов, Л. Я. Роп'як // Комплексне забезпечення якост технолопчних процеав та систем. - Черншв, 2012. - С. 29.
16. Онисько, О. Р. Технолопчш аспекти армування тш обертання гранулами легких карбщв у процес електрошлакового вщцен-трового лиття [Текст]: зб. наук. пр. / О. Р. Онисько, О. М Богаченко, Л. Я. Роп'як // Сучасш технологи в машинобудуван-ш. - 2015. - Вип. 10. - С. 128-139.
17. Шуляр, I. Дослщження руху твердих частинок у рщкому сплаш при вщцентровму армуванш з двома взаемно перпенди-кулярними осями обертання ливарно! форми [Текст] / I. Шуляр, М. Маковшчук, Л. Роп'як // Науковi нотатки. - 2013. -№ 40. - С. 321-330.
18. Сидняев, Н. И. Введение в теорию эксперимента : уч. пособие [Текст] / Н. И. Сидняев, Н. Т. Вилисова. - М.: Из-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - 463 с.
