CC BY
35
УДК 621.7.01
Оптимизация технологических режимов дробеструйной обработки перед восстановлением деталей пищевых машин плазменным напылением
Optimization of technological modes of shot-streaming before repairing of details of food machines by plasma spraying
Доцент Ю.П. Земсков, доцент Л.И. Назина (Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра управления качеством и машиностроительных технологий, тел. (8473)255-15-49 E-mail: regant2006@mail.ru
Associate Professor Yu.P. Zemskov, Associate Professor L.I. Nazina (Voronezh State University of Engineering Technologies) chair of quality management and machine-building technologies, tel. (8473)255-15-49 E-mail: regant2006@mail.ru
Реферат. Дробеструйная обработка относится к абразивно-струйным механическим способам обработки поверхности для удаления различных загрязнений и придания оптимальной шероховатости по показателю «глубина впадины» (отпечаток). Для оценки влияния развитости (шероховатости) поверхности под плазменное напыление использовано аналитическое выражение энергии активации, которой должны обладать поверхностные слои для обеспечения максимальной прочности сцепления напыленного износостойкого покрытия с основой детали. Данный вид обработки осуществляется с применением струи сжатого воздуха, которая захватывает дробь (частицы абразива) и перемещает в сторону подготавливаемой поверхности под плазменное напыление защитного покрытия из мелкодисперсного материала (порошка). Оптимизация таких технологических режимов, как: дистанция обработки; размер дроби; давление в пневмосистеме; время обработки и угол обработки, позволяет получать развитую поверхность, гарантирующую высокую прочность сцепления плазменного покрытий с основным металлом, что обеспечивает повышенную долговечность и работоспособность при дальнейшей эксплуатации изношенных деталей пищевых машин. Получены результаты однофакторного эксперимента, которые легли в основу полного факторного эксперимента с разработкой математической модели в виде регрессионного уравнения влияния вышеназванных технологических режимов на выходной параметр оптимизации - глубину отпечатка. Выбирая оптимальные значения технологических режимов дробеструйной обработки, получаем рациональный результат по показателю «глубина впадины», гарантирующему максимальную прочность сцепления нанесенного плазменного покрытия на изношенные поверхности деталей пищевых машин.
Summary: Shot blasting refers to abrasive blasting, mechanical surface treatment processes for removing various contaminants and give an optimal surface roughness in terms of the depth of the depression (imprint). To assess the impact of the development (roughness) of the surface by plasma spraying is used the analytical expression of the activation energy, which should have the surface layers to maximize the adhesive strength of the sprayed wear resistant coating to the base part. This treatment is carried out with compressed air, that captures a fraction (grit) and moves towards the surface under prepare plasma deposition of a protective coating of particulate material (powder). Optimization of technological modes of processing the distance; size fraction; the pressure in the pneumatic system; processing time and processing angle, allows to obtain a developed surface, which allows to ensure high durability of the plasma coating adhesion to the base metal, which provides improved durability and performance of worn parts of food machine. The results obtained single-factor experiment, which formed the basis of full factorial experiment with the development of a mathematical model in the form of a regression equation significance above mentioned technological regimes and their impact on the optimization of the output parameter - the depth of indentation. Choosing the optimal values of technological regimes blasting obtain a rational outcome in terms of the depth of the depression, which guarantees maximum grip strength of the applied plasma coating on the worn surface of food machinery parts.
© Земсков Ю.П., Назина Л.И., 2016
Ключевые слова: дробеструйная обработка, технологические режимы, оптимизация, математическая модель, параметр оптимизации, прочность сцепления, плазменное напыление, долговечность, работоспособность.
Keywords: shot blasting, technological modes, optimization, mathematical model, optimization parameter, adhesive strength, plasma spraying, durability, serviceability.
Современное оборудование пищевой промышленности, предназначенное для выполнения механических процессов при переработке пищевых сред, отличается высокими скоростями обработки, обеспечивающими максимальную производительность и высокое качество пищевых продуктов. В результате долгой работы детали оборудования подвержены процессам износа, что снижает долговечность и работоспособность машин.
Для реализации остаточной долговечности такого оборудования существуют технологии восстановления изношенных рабочих поверхностей. Перспективной технологией считается восстановление изношенных размеров промышленной низкотемпературной плазмой, которая используется для напыления защитных покрытий [1, 8]. На основании современных представлений о явлениях, происходящих в процессе реализации технологии плазменного напыления защитных (износостойких и др.) покрытий, взаимодействие напыляемой частицы с основным металлом происходит в три стадии: сближение соединяемых веществ; образование физического контакта; активация контактных поверхностей. Развитие реакции на границе взаимодействия фаз определяется относительной прочностью сцепления частиц с основным металлом по формуле
а I „ -у*
— = 1 - ехр -— ,
т еХР кГс
где а{Ц - прочность сцепления за время ст,„ - максимальная прочность сцепления, достигаемая по завершении процесса соединения частиц; V - частота собственных колебаний атомов; Еа - энергия активации соединяемых поверхностей; /с - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура контакта.
Первичный анализ представленной зависимости показывает, что энергия активации Еа может оказывать существенное влияние на прочность сцепления соединяемых поверхностей, так как стоит под знаком экспоненты в знаменателе. Из этого следует, что незначительное изменение этого показателя, как и температуры контакта Тс, может привести к резкому изменению второго слагаемого и, как следствие, увеличению прочности сцепления. Активация поверхности контакта достигается, например, посредством придания ей развитой шероховатости, получаемой при помощи дробеструйной (абразивно-струйной) обработки.
Известно, что одним из основных факторов, влияющих на прочность сцепления плазменных покрытий с основой, является физическое состояние поверхности перед напылением [2]. Дробеструйная обработка очищает поверхность от различного рода загрязнений и в то же время приводит ее в напряженное деформированное состояние, характерными признаками которого являются искажение решетки, искривление плоскостей и т. п. При взаимодействии напыляемых частиц с основой происходит частичная релаксация напряжений, а освобожденная энергия повышает общую энергию взаимодействия системы «частица-основа». Это, в свою очередь, способствует повышению адгезионной прочности.
Цель исследования - решить задачу по определению влияния режимов воздействия частиц абразива на степень деформации обрабатываемой поверхности и придания ей оптимальной шероховатости [3, 4]. В результате проведенного анализа было показано, что основными факторами процесса являются: дистанция обработки, размер абразива, давление в пневмосистеме, время обработки и угол наклона действия струи дроби. После обработки экспериментальных данных были получены аппроксимирующие функции и графики однофакторных моделей, представленные на рисунке.
На кривой (рисунок, а) максимум говорит о том, что для данной геометрии сопла существует оптимальная длина разгона частиц абразива (дроби) от среза сопла до обрабатываемой поверхности, при которой скорость частиц будет максимальной. Спадающая ветвь кривой объясняется уменьшением плотности потока абразива и распределением частиц по пятну обработки. При малых дистанциях обработки частицы абразива не успевают набрать максимальную скорость, а также испытывают столкновение с отраженными от поверхности частицами.
Уменьшение глубины проникновения частиц абразива АН при увеличении размера абразивной частицы с1, (рисунок, б) можно объяснить уменьшением величины удельного давления при взаимодействии частиц абразива с поверхностью. Качественный анализ результатов эксперимента показывает, что глубина проникновения частиц абразива Ь увеличивается с повышением давления в пневмосистеме и времени обработки (рисунок, в, г). Это объясняется возрастанием скорости частиц абразива, которая связана с давлением в пневмосистеме, плотностью энергоносителя (сжатого воздуха) и суммарным коэффициентом потерь частицы абразива, обладающей кинетической энергией, совершающей работу по деформации поверхности.
Максимум на кривой (рисунок, <3) объясняется преобладанием в интервале углов наклона действия струи дроби а = 80...85 о процесса абразивного изнашивания. Причинами увеличенных глубин проникновения от абразивных частиц являются различные составляющие силы удара, а также состояния структуры основного металла, имеется в виду равновесное и закаленное состояние.
На основании однофакторных экспериментов были приняты основные уровни и интервалы варьирования факторов в области, близкой к оптимальной (таблица).
Таблица
Значения факторов и уровни варьирования абразивно-струйного процесса
Номер фактора Факторы Обозначение Уровни Интервал
Верхний (+1) Основной (0) Нижний (-1)
1 Дистанция обработки ,мм ЦХг) 70 60 50 10
2 Размер абразива, мм й(Х2) 1,00 0,75 0,50 0,25
3 Давление в пневмосистеме, МПа Р(Хз) 0,6 0,5 0,4 од
4 Время обработки, с ЦХ,) 90 60 30 30
5 Угол наклона действия струи дроби, град а т 90 80 70 10
О 20 40 60 80 100 120 Дистанция обработки, мм
0.5 1 1.5 2 2.5 Размер абразива, мм
б
/ 1-
0.2 0,3 0.4 0.5 0.6 0.7 Давление в пневмосистеме, МПа
60 70 80 90 Время обработки, с
в
а
г
К
V
« з
о 5
№ ¡5
И «
й «
О 2
л 5
и сЗ
к ;2
в й ю
5
0 20 40 60 80 100
Угол наклона действия струи дроби, градус
Рисунок. Влияние факторов процесса дробеструйной обработки на глубину проникновения абразива А /г а - дистанция обработки; б - размер дроби; в - давление в пневмосистеме; г - время обработки; д - угол наклона действия струи дроби
В качестве выходного параметра оптимизации принята глубина проникновения абразива А Н, которая обозначена У. В качестве плана эксперимента была выбрана полуреплика 25-1 от полного факторного эксперимента 25 [5, 6, 7], что позволяет получить раздельные оценки для коэффициентов регрессии вида:
Y=bo+ ?=1 ЪЬХЬ + ^ ЬиХьХ} ,
Полуреплика задавалась генерирующим соотношением Х\ Хо,- Хз- Х4 Х~, — 1. Обработка результатов эксперимента позволила получить уравнение регрессии:
7 = 30,731 - 5,381X1 - 5,281Хз - 12,231Х3 + 8,306Х4 - 1,431Х5 - 3,406Х2Х3 -- 3,031X2X4 + 5,781ХзХ4 + 1 ,431X4 Х5. Дисперсию Б2АН параметра оптимизации определяли по результатам параллельных опытов в центре плана. Ошибка эксперимента составила Б2АН = 4,672 мм2.
Модель проверялась на адекватность по критерию Фишера. Расчетное и табличное значение критерия Фишера составили F ЛНР = 2,075 и F льт = 6,09. Величина дисперсии адекватности равна Б2 адАН = 9,695 мм2.
Таким образом, в соответствии с условием < F льт подтверждена гипотеза об адекватности полинома. Полученная модель зависимости шероховатости и абразивного износа подготавливаемой поверхности деталей пищевых машин позволила определить оптимальные технологические режимы дробеструйной обработки поверхностей перед несением плазменного покрытия, которые составили:
- давление в пневмосистеме - 0,5 МПа;
- дистанция обработки - 60 мм;
- время обработки - 60 с;
- размер дроби - 1,0 мм;
- угол наклона действия струи дроби - 80°.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кудинов, В.В. Нанесение плазмой тугоплавких сплавов [Текст] / В.В. Куди-нов, В.М. Иванов.- М.: Машиностроение, 1981. - 192 с.
2. Кудинов, В.В. К оценке энергетических условий образования между расплавленными частицами металла и поверхностью твердого тела [Текст] / В.В. Кудинов, H.H. Рыкалин, М.Х. Шоршоров //Физика и химия обработки материалов.
- 1968.- № 4. - С. 51-58.
3. Земсков, Ю.П. Оценка шероховатости подготовленной механическим способом поверхности под лакокрасочное покрытие [Текст] / Ю.П. Земсков, Ю.С. Тка-ченко / / Вестник Воронежского государственного технического университета.
- 2015.- Том 11.- № 2. - С.15 - 18.
4. К вопросу о применении методики контроля шероховатости шлифованной зубной поверхности [Текст] / Ю.П. Земсков, A.A. Афанасьев, А.Н. Пегина, Р.В. Лесников // Научные ведомости БелГУ. Серия: Медицина. Фармация. - 2015.
- № 10 (207). Вып. 30. - С. 256-260.
5. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. [Текст] / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. - М.: Наука. 1976. - 288 с.
6. Спиридонов, A.A. Планирование эксперимента технологических процессов. [Текст] / A.A. Спиридонов.- М. : Машиностроение, 1981. - 184 с.
7. Попов, Г.В. Программные статистические комплексы. Лабораторный практикум [Текст]: учеб. пособие / Г.В. Попов, Л.И. Назина, Н. Л. Клейменова. - Воронеж, 2012. - 60 с.
8. Ткаченко, Ю.С. Статистические методы как основа управления качеством процесса выплавки стали марки 20ПВ [Текст] / Ю. С. Ткаченко, Л. И. Назина // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 11. - С. 36-41.
REFERENCE
1. Kudinov V.V., Ivanov V.M. Nanesenie plazmoy tugoplavkikh splavov [Application refractory alloys plasma], Moscow, 1981, 192 pp. (Russian).
2. Kudinov V.V., Rykalin N.N. К otsenke energeticheskikh usloviy obrazovaniya mezhdu rasplavlennymi chastitsami metalla i poverkhnost'yu tverdogo tela [Shorshorov M.H. Estimating energy environment education between the molten metal particles and solid surfaces], Fizika i khimiya obrabotki materialov, 1968, No 4, pp. 51-58. (Russian).
3. Zemskov Yr.P. Tkachenko Yr.S. Otsenka sherokhovatosti podgotovlennoy mek-hanicheskim sposobom poverkhnosti pod lakokrasochnoe pokrytie [Evaluation roughness mechanically prepared surface under the paint],Herald VSTU, 2015, Tom 11, No 2, pp.15 - 18. (Russian).
4. Zemskov Yr.P., Afanasev A.A., Pegina A.N., Lesnikov R.V. К voprosu о primene-nii metodiki kontrolya sherokhovatosti shlifovannoy zubnoy poverkhnosti [On the question of the application of the roughness control techniques polished tooth surface], Nauchnye vedomosti BelGU. Seriya: Meditsina. Farmatsiya, 2015, Vol. 30, No 10 (207), pp. 256-260. (Russian).
5. Adler Y.P., Markova E.V., Granovsky Y.V. Planirovanie eksperimenta pri poiske optimal'nykh usloviy [Experiment in the search for optimal conditions],Moscow, 1976 , pp. 288. (Russian).
6. Spiridonov A.A. Planirovanie eksperimenta tekhnologicheskikh protsessov [Experiment in the experimental processes], Moscow, 1981, 184 pp. (Russian).
7. Popov G.V., Nazina L.I., Kleimenova N.L. Programmnye statisticheskie kom-pleksy. Laboratornyy praktikum [Software statistical systems. Laboratory workshop: studies. Benefit], Voronezh, 2012, 60 pp. (Russian).
8. Tkachenko Yr.S., Nazina L.I. Statisticheskie metody kak osnova upravleniya kachestvom protsessa vyplavki stali marki 20PV [Statistical methods as a basis for quality control the smelting process of steel 20PV], Bulletin of Voronezh State Technical University, 2012, T. 8, No 11, pp. 36-41. (Russian).
