Введение к работе
Актуальность темы и степень её разработанности. В различных отраслях промышленности используются высоконагруженные машины и агрегаты, и обеспечение заданного ресурса их деталей в экстремальных условиях эксплуатации малозатратными средствами является важной задачей государственного значения, соответствующей критическим технологиям получения и обработки конструкционных наноматериалов. Долговечность большого количества машин и механизмов определяется износостойкостью поверхностных слоев их деталей. Одной из важнейших проблем для данных деталей является повышение их ресурса малозатратными средствами, при этом даже относительно небольшое повышение износостойкости таких деталей дает значительный экономический эффект.
Одним из наиболее прогрессивных и эффективных направлений создания деталей с заданными свойствами на их рабочих поверхностях является нанесение защитных покрытий газотермическими методами. В данной группе одним из наиболее эффективных и универсальных является метод плазменного напыления. Имеющиеся способы совершенствования плазменного напыления, направленные на повышение эффективности установившегося процесса нанесения покрытий, почти исчерпаны и ограничены недостаточным уровнем физико-механических и триботехнических свойств покрытий, подверженных высоким динамическим знакопеременным, а также ударным эксплуатационным нагрузкам. Отдельные работы посвящены исследованиям совершенствования плазменного напыления методами динамизации процессов с помощью акустического воздействия на плазменную струю (ГНУ «Институт тепло- и массооб-мена» НАН Беларуси) и пульсирующей мощности выносной дуги (СГПУ, г. Санкт-Петербург, МГТУ им. Н. Э. Баумана). Вместе с тем, остались неизученными вопросы теоретического описания процессов при модуляции параметров плазменного напыления и методического обоснования их оптимизации.
В связи с вышеизложенным научной проблемой, решаемой в работе, является создание теоретических и методических основ интенсификации газодинамических процессов и управления тепловыми процессами плазменного нанесения с упрочнением покрытий на основе использования модуляции электрических параметров и комбинированного воздействия с электромеханической обработкой на формирование покрытия при его нанесении, обеспечивающих оптимальные технологические условия для получения заданного качества металлических износостойких покрытий деталей машин.
Диссертация выполнялась в рамках научно-исследовательских работ в соответствии с координационным планом ГКНВШ РФ по комплексной научно-технической программе «Восстановление» при содействии Саратовского технического университета в 1991-1995 гг. и в рамках продолжающегося с 2011 г. научного проекта ДРПННиТ НИР:7.4045.2011 по заданию Министерства образования и науки РФ в соответствии с современным состоянием и перспективами развития научно-технического комплекса страны по созданию эффективных покрытий с высокими физико-механическими и триботехническими характеристиками.
Целью работы является разработка теоретических основ и новых технологий плазменного нанесения с упрочнением покрытий, основанных на динамизации процессов модуляцией электрических параметров, обеспечивающей получение высококачественных износостойких покрытий за счет управления скоростью движения и нагрева частиц напыляемого материала и теплового воздействия на деталь с покрытием.
Для достижения поставленной цели определены и решены следующие основные задачи:
-
Разработать теоретические основы технологического обеспечения и принципы системы управления динамикой процессов плазменного нанесения с упрочнением высокопрочных износостойких металлических покрытий.
-
Разработать математические модели, описывающие системы: «дуга -плазменная струя - напыляемые частицы» при плазменном напылении с модуляцией электрических параметров косвенной дуги плазмотрона; «плазменная струя - покрытие - основа» при плазменном нанесении покрытий с модуляцией электрических параметров прямой дуги плазмотрона; «покрытие - основа» при комбинированном процессе совместного плазменного нанесения и упрочнения покрытий термо- и электромеханической обработкой.
-
Используя физическое и математическое моделирование, определить закономерности влияния электрических параметров модуляции (амплитуды, длительности и формы импульсов мощностей дуг, частоты модуляции) на газодинамические (скорость и температуру частиц напыляемого материала) и теп-лофизические критерии (поле температур в покрытии с основой) процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий. На основе установленных закономерностей и моделей указать оптимальные области факторного пространства по предложенным критериям.
-
Разработать экспериментальный комплекс оборудования, позволяющий осуществлять процесс плазменного нанесения с упрочнением покрытия, используя модуляцию электрических параметров и термо- или электромеханическую обработку покрытий.
-
На основе экспериментальных исследований определить закономерности влияния параметров модуляции (амплитуды, длительности и формы импульсов мощностей дуг и частоты модуляции) в процессах плазменного нанесения с упрочнением металлических износостойких покрытий на их физико-механические и триботехнические критерии качества.
-
На базе разработанных теоретических основ создать технологическое обеспечение динамизации процессов плазменного нанесения с упрочнением, осуществляемой модуляцией электрических параметров, высокопрочных износостойких металлических покрытий для разнопрофильных поверхностей деталей машин и систему управления динамикой этих процессов.
-
Создать методологию проектирования технологических процессов плазменного нанесения и упрочнения износостойких покрытий, обеспечивающую повышение энергетического уровня частиц напыляемого материала, а также равномерность распределения температурного поля детали и локальных
зон проплавлення покрытия на основе: оптимизации газодинамических и тепловых процессов; управления их динамикой с помощью модуляции электрических параметров плазмотрона; алгоритмов технологического обеспечения показателей качества покрытий с учётом параметров детали и покрытия и эксплуатационных нагрузок на его поверхности.
-
Разработать новый патентноспособный технологический процесс плазменного нанесения износостойких покрытий с применением модуляции электрических параметров и комбинированных с ним способов нанесения покрытий с одновременной термо- и электромеханической обработкой покрытия.
-
Разработать рекомендации по выбору и оптимизации технологических процессов плазменного нанесения и упрочнения металлических покрытий заданного качества в режиме модуляции электрических параметров с учетом профиля поверхности, конструктивных особенностей деталей и эксплуатационных требований к ним.
Объекты исследования: процессы плазменного нанесения и упрочнения покрытий на детали машин в режиме модуляции электрических параметров.
Методы исследования. Методическую базу теоретических исследований составили научные основы технологии машиностроения, теория газодинамики в части струйных течений, бегущих волн скорости и энтропийных волн температуры, теория тепловых сварочных процессов, методы вычислительной математики (метод конечных разностей и дискретных элементов), современные графические и вычислительные системы для ЭВМ.
Методика экспериментальных исследований включала в себя методики оценки газодинамических параметров процессов, разработанных автором, известные и стандартные методики определения физико-механических и трибо-технических характеристик покрытий, методы планирования эксперимента и базировалась на использовании разработанных установок и современных контрольно-измерительных средств.
Предметом исследования явились закономерности изменения параметров в технологической системе плазменного нанесения и упрочнения покрытий при модуляции электрических параметров, методы расчета, оптимизация этих процессов и технологические рекомендации для них.
Достоверность результатов основана на корректности постановки задач, строгости использования математического аппарата, обосновании использования аналитических зависимостей, методического обеспечения корректности проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных и подтверждается соответствием теоретических и экспериментальных результатов, а также практическим применением результатов в промышленности.
Научная новизна работы заключается в разработке теоретических основ процессов плазменного нанесения и упрочнения износостойких покрытий с использованием динамизации, осуществляемой модуляцией электрических параметров, и в создании на их основе новых технологий получения покрытий. Новые научные результаты состоят в том, что:
-
Установлены механизмы управления энергией частиц напыляемого материала и тепловыми процессами в покрытии и детали, составляющие основы динамизации газодинамических и тепловых процессов плазменного нанесения с упрочнением покрытий посредством модуляции электрических параметров, обеспечивающие повышение прочностных и триботехнических свойств получаемых металлических покрытий.
-
Определены закономерности влияния электрических параметров модуляции на газодинамические и теплофизические критерии процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий, заключающиеся в интенсификации передачи кинетической и тепловой энергии частицам напыляемого материала в плазменной струе и тепловой энергии покрытию, обеспечивающие усиление диффузионных процессов между напыляемыми частицами и поверхностью основы (покрытия) и проплавление покрытия до основы в локальных зонах привязки выносной дуги в моменты импульсного увеличения её мощности, а также минимальный разброс температур и свойств покрытия по профилю детали, что в итоге приводит к повышению прочностных и триботехнических свойств покрытий.
-
Установлены зависимости триботехнических и физико-механических критериев процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий от электрических параметров модуляции, отражающие их нелинейный характер и дающие возможность оптимизации режимов процессов по обеспечению высоких прочности и износостойкости покрытий.
-
Разработаны и реализованы в виде свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ математические и имитационные модели системы «дуга - плазменная струя - напыляемые частицы» при плазменном напылении с модуляцией электрических параметров косвенной дуги плазмотрона, системы «плазменная струя - покрытие - основа» при плазменном нанесении покрытий с модуляцией электрических параметров прямой дуги плазмотрона, системы «покрытие - основа» при комбинированном процессе совместного плазменного нанесения и упрочнения покрытия термо- и электромеханической обработкой.
-
Разработана система управления динамикой процессов плазменного нанесения и упрочнения металлических покрытий с применением модуляции электрических параметров, обеспечивающая получение высококачественных металлических покрытий при минимальном нагреве подложки.
-
Построены алгоритмы технологического обеспечения заданного качества плазменных покрытий, нанесенных в режиме модуляции электрических параметров, с учетом параметров покрытия и деталей и эксплуатационных требований к деталям.
-
Созданы технологии получения плазменных покрытий заданного качества с использованием механизмов модуляции электрических параметров косвенной и прямой дуг плазмотрона и комбинированных технологий упрочнения плазменных покрытий термо- и электромеханической обработкой в процессе их нанесения, включающие в себя комплекс расчетных методик и разработанных патентнозащищённых способов и средств нанесения износостойких покрытий.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
созданы методики и технологическое обеспечение в процессах плазменного нанесения и упрочения покрытий с модуляцией электрических параметров с учетом параметров детали и покрытия;
созданы малозатратные и высокоэффективные технологические способы интенсификации газодинамических и тепловых процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий с помощью модуляции электрических параметров при минимальном термическом воздействии на подложку, обеспечивающие повышение качества покрытий и эффективности плазменного нанесения и упрочнения покрытий;
разработаны рекомендации по выбору и оптимизации технологических процессов плазменного нанесения покрытий с их упрочнением динамизацией газодинамических и тепловых процессов, осуществляемой модуляцией электрических параметров и обеспечивающей заданное качество покрытий, с учетом параметров детали и покрытия и условий их эксплуатации;
разработаны эффективные технологические устройства и приспособления для ведения процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий в условиях модуляции электрических параметров для разнопрофильных поверхностей;
предложены способы и устройства для определения скоростей фаз гетерогенной плазменной струи в технологических операциях нанесения и упрочнения покрытий, которые могут быть использованы для расчета и оптимизации модуляторов и режимов модуляции, а также для изучения струйных течений и физико-механических процессов взаимодействия таких струй с подложкой;
созданы установки плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляторами электрических параметров для использования в мелкосерийном производстве деталей сложных форм.
На защиту выносятся: разработанные теоретические основы процессов динамизации плазменного нанесения покрытий с их упрочнением, осуществляемой модуляцией электрических параметров; методика имитационного моделирования газодинамических и тепловых процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий, учитывающая влияние на них технологических факторов модуляции электрических параметров; закономерности влияния электрических параметров модуляции на газодинамические, теплофизические и физико-механические критерии процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий; система управления динамикой процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий; модели и алгоритмы технологического обеспечения качества плазменных покрытий, нанесенных в режиме модуляции электрических параметров; теоретические основы и методология проектирования высокоэффективных технологических процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров; патентнозащищенные способы нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров и устройства на их основе.
Реализация работы. Результаты работы передавались к внедрению на АРЗ №172 (г. Воронеж), в ОАО «Автокомбинат» (г. Воронеж), начиная с 1998 г. В течение 1992-2013 годов результаты работы были апробированы и внедрены в АО ПТК «КАМАЗ», ООО «Автоцентр», ОАО «Автоколонна-1150», в АО «Автокомбинат» г. Воронежа, в лесхозах п. Графская и г. Богучара Воронежской области, в ОАО «172 ЦАРЗ», ЗАО «НСК ПЛЮС», НПП «Гидротехника» (г. Воронеж), ОАО «Ремдизель» (г. Набережные Челны) и ряде других предприятий на различных деталях с общим годовым эффектом более 900 тыс. рублей. Основные научные положения, разработанная установка плазменного напыления и техпроцесс используются в учебном процессе и НИР на кафедре ПРЭМ ВГЛТА.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, а также обсуждались на следующих конференциях и семинарах: на конференции «Научно-технический прогресс в лесной отрасли Центрального Черноземья» (Воронеж, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции «Пути повышения качества и надежности деталей из порошковых материалов» (Барнаул-Рубцовск, 1991), краткосрочном научно-техническом семинаре «Прогрессивные технологические процессы механообработки и сборки» (Санкт-Петербург, 1991), Международной научно-технической конференции «Поддержание и восстановление работоспособности транспортных средств» (Саратов, 1995), Международной конференции «Концепции развития и высокие технологии индустрии ремонта транспортных средств» (Оренбург, 1993), Международной научно-технической конференции «Надежность машин и технологического оборудования» (Ростов-на Дону, 1994), Международной научно-технической конференции «Износостойкость машин» (Брянск, 1994), Международном симпозиуме по электрическим машинам «ISEM-XI» (Швейцария, Лозанна, 1995), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении» (Казань, 1995), Международной научно-технической конференции «Поддержание и восстановление работоспособности транспортных средств» (Саратов, 1995), Всероссийской научно-технической конференции «Теория, проектирование и методы расчета лесных и деревообрабатывающих машин» (Москва, 1997), Международной научно-технической конференции «Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса» (Воронеж, 1998), Всероссийской научно-практической конференции «Повышение технического уровня машин лесного комплекса» (Воронеж, 1999), Всероссийской научной конференции «Совершенствование наземного обеспечения авиации» (Воронеж, 1999), Международной конференции «Нетрадиционные методы обработки» (Воронеж, 2002), IV-ом Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем (Воронеж, 2007); Международной конференции «Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении ТМ-2010» (Воронеж, 2010); XVII-ой Международной научно-технической интернет-конференции «Новые
материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2013), ежегодных Международных научно-практических конференциях (СПб, 2007-2012): «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (2007), «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (2008-2011), «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (2012, 2013).
Область исследования. Диссертационная работа соответствует паспортам специальностей:
05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-
технической обработки, пунктам: 2 - Теоретические основы, моделирование и
методы экспериментального исследования процессов механической и физико-
технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с
наложением различных физических и химических воздействий; 3 - Исследова
ние механических и физико-технических процессов в целях определения пара
метров оборудования, агрегатов, механизмов и других комплектующих, обес
печивающих выполнение заданных технологических операций и повышение
производительности, качества, экологичности и экономичности обработки;
6 - Новые технологические процессы механической и физико-технической об
работки и создание оборудования и инструментов для их реализации;
05.02.08 - Технология машиностроения по пунктам: 2 - Технологические
процессы, операции, установы, позиции, технологические переходы и рабочие
хода, обеспечивающие повышение качества изделий и снижение их себестои
мости; 3 - Математическое моделирование технологических процессов и мето
дов изготовления деталей и сборки изделий машиностроения; 4 - Совершен
ствование существующих и разработка новых методов обработки и сборки с
целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимо
сти их выпуска; 7 - Технологическое обеспечение и повышение качества по
верхностного слоя, точности и долговечности деталей машин.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 140 научных работ общим объемом 117, 05 усл. печ. л. (доля автора - 72,82 усл. печ. л.), в том числе: монографий без соавторства - 2; журнальных статей из перечня ВАК - 18, из них статей без соавторства - 6; в сборниках научно-технических трудов - 38; авторских свидетельств и патентов Российской Федерации - 12; свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ - 4. Личный вклад во всех работах, опубликованных в соавторстве, принадлежит автору в равной степени как в постановке задач и разработке основных положений, определяющих научную новизну и практическую ценность, так и в результатах выполненных исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 218 наименований, 2 приложений. Основная часть работы изложена на 383 страницах и содержит 86 рисунков и 23 таблицы.
