Оценка качества плазменных покрытий, нанесенных комбинированным методом с обкаткой роликом, полученная на основе компьютерного моделирования

Для восстановления поверхностей изношенных автомобильных деталей широко используется метод плазменного нанесения покрытий. Для поверхностей деталей, подверженных знакопеременным циклическим нагрузкам, например, для шатунных шеек коленчатого вала, и для поверхностей деталей, подверженных ударным нагрузкам, требуется дополнительная упрочняющая обработка вследствие недостаточных прочностных характеристик. Ранее нами был предложен метод дополнительного упрочнения нанесенного покрытия путем обкатки металлическим роликом с пропусканием электрического тока (сила тока порядка 1000 А) непосредственно после прохода плазмотрона [1]. Электромеханическая обработка приводит к локальному нагреву поверхности и улучшению микроструктуры нанесенного покрытия материала. При этом устраняются трещины и пустоты в покрытии, устраняется окисная пленка между отдельными фрагментами покрытия, улучшается адгезия покрытия к поверхности детали.

Для предварительной оценки эффективности предложенного способа целесообразно использовать математическое моделирование. Математическое моделирование и компьютерные эксперименты позволяют существенно ускорить и удешевить стадию отработки технологического процесса. Поэтому целью данной работы являлась оценка способа комбинированного упрочнения поверхностей деталей на основе математического моделирования.

В математической модели учтены следующие процессы: образования покрытия в результате плазменного напыления и механической обкатки покрытия роликом; протекания электрического тока через покрытие и выделения тепла в объеме покрытия; распространения тепла в покрытии, покрываемой поверхности и прижимном ролике.

Механическое состояние покрытия моделируется методом, близким к SPH-методу (Smoothed Particles Hydrodynamics) [2]. В рамках данной работы используется одна из разновидностей SPH-метода, в соответствии с которой покрытие рассматривается как совокупность большого количества элементов шарообразной формы диаметром 10 мкм. Моделирование производится в двухмерном пространстве XOY. Элементы моделируемой среды взаимодействуют между собой и движутся по законам классической механики [3]. Суммарное количество элементов в модели составляет порядок 10⁴ и увеличивается с течением времени по мере поступления новых элементов в области плазменного напыления. Состояние каждого элемента i в модели определяется четырьмя переменными: декартовыми координатами его центра (x_i, y_i) и двумя составляющими скорости (v_xi, v_yi). Каждый элемент i испытывает силовое воздействие со стороны каждого из окружающих его элементов j.

В выражение для силы взаимодействия (рис. 1) между двумя элементами закладываются упругие свойства материала покрытия:

где F^У_xij и F^У_yij — декартовы составляющие силы F^У_ij; c_ij — коэффициент жесткости упругого взаимодействия элементов; d_Э — диаметр элемента; d_О = k_огр · d_Э — граничное расстояние притяжения.

Кроме того, учитываются составляющие силы, включающие диссипативные силы вязкого трения F^В_xij и F^В_yij, пропорциональные первой степени скорости относительного движения взаимодействующих элементов.

Движение элемента описывается ньютоновскими уравнениями вида.

;

.

где m_Э — масса элемента; t — время; N_Э — количество элементов покрытия; F_ij^У и F_ij^В — упругая и вязкая составляющие силы взаимодействия между элементами i и j; g — ускорение свободного падения.

Рис. 1. Зависимость силы упругого взаимодействия элементов от расстояния между ними

Расчет протекания электрического тока через покрытие производится на основе решения уравнения Пуассона. Для моделирования распространения тепла в покрытии используется уравнение теплопроводности, с учетом процессов нагрева покрытия от струи плазмы, выделения тепла при пропускании электрического тока, теплоотвода в покрываемую поверхность и прижимной ролик. Уравнения Пуассона и теплопроводности решаются численно с использованием случайной самоупорядочивающейся фрагментируемой сетки, узлами которой являются центры элементов покрытия.

В целом, модель представляет собой систему дифференциальных и алгебраических уравнений и решается численно модифицированным методом Эйлера-Коши. Шаг интегрирования системы дифференциальных уравнений составляет Дt = 0,2 с. Алгоритм расчета представлен схемой (рис. 2). Для удобства исследования математической модели и для проведения с ней компьютерных экспериментов разработана компьютерная программа на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7 [4]. Программа предназначена для моделирования способа упрочнения поверхностей деталей путем комбинации плазменного нанесения покрытия с обкаткой роликом. Программа позволяет найти оптимальные параметры комбинированного способа упрочнения: скорость движения системы плазмотрон-ролик, положение ролика по отношению к плазмотрону и поверхности, параметры поверхности ролика. В процессе работы программа непрерывно выводит на экран схематичное изображение напыляемого материала, поверхности, ролика, по которым можно судить о качестве нанесения покрытия (рис. 3). Программа рассчитана на использование компьютера с процессором не ниже Pentium 2,6 ГГц, и объемом оперативной памяти не менее 512 Мбайт. Исходный текст программы имеет объем 10 кбайт.

Рис. 2. Схема алгоритма моделирования способа комбинированного упрочнения поверхностей деталей: N_Э — количество компьютерных экспериментов; x_Р, v_Р — координата и скорость горизонтального движения ролика;

T_i и U_i — температура и электрический потенциал i-го элемента;

T(x, y) и U(x, y) — пространственное распределение температуры и электрического потенциала в модельной системе; с — плотность образующегося покрытия; R_q — шероховатость поверхности; у_ког — когезионная прочность покрытия; у_ост — величина остаточных напряжений; t_К — время проведения компьютерного эксперимента Последовательность проведения компьютерного эксперимента была следующей. Обкатывающий ролик двигался относительно восстанавливаемой поверхности в горизонтальном направлении с постоянной поступательной v_р и вращательной щ скоростью (рис. 4). Нанесенный слой покрытия перемещается в направлении ролика, при механическом взаимодействии с покрытием ролик приподнимается над исходной поверхностью, в то же время, оказывая задаваемое обкатывающее усилие на покрытие. После нанесения первого слоя покрытия длиной 4 см, ролик сдвигается в исходное состояние. Затем на первый слой аналогичным образом наносится второй слой покрытия. После нанесения второго слоя производится оценка физико-механических свойств сформировавшегося покрытия: плотности, шероховатости, когезии, внутренних напряжений. Для определения когезии производится испытание на отрыв верхних слоев покрытия от нижних (рис. 4, внизу). Затем строится диаграмма «напряжение-деформация», и максимальная величина напряжения (в предотрывном состоянии) считается напряжением когезии.

Рис. 3. Изображение, выводимое на экран компьютера в процессе обработки покрытия программой для моделирования способа комбинированного упрочнения поверхностей деталей

Рис. 4. Порядок проведения компьютерного эксперимента

Механическое воздействие обкатывающего ролика приводит к перестройке структуры покрытия (рис. 5). В частности, поверхность покрытия после прохода ролика становится более ровной: пустоты поверхности заполняются за счет смещения выпуклостей. Кроме того, действие ролика приводит к тому, что взаимное расположение элементов покрытия становится более упорядоченным. Однако при недостаточно прогретом покрытии проявляются и отрицательные стороны механического воздействия: покрытие после прохода ролика имеет зёренную структуру со значительным количеством небольших трещин.

Параметры компьютерной модели были близки к следующим реальным параметрам процесса нанесения покрытия: подложка — сталь; порошок ПН55Т45; диаметр частицы порошка (элемента модели) 10 мкм; эффективный радиус ролика 10 мм; характерная толщина одного слоя покрытия 50 мкм; скорость перемещения плазмотрона и ролика относительно поверхности 1 см/с; расход порошка 10 мг/с; характерное давление ролика 100 МПа.

Рис. 5. Изменение структуры покрытия при проходе обкатывающим роликом второго слоя покрытия

Построена карта распределения электрического потенциала в рабочей зоне ролика при условии, что поверхность детали имеет потенциал 0 В, а ролик — потенциал 6 В (рис. 6). Сравнивая рисунки 5 и 6 можно прийти к выводу, что выступающая область с потенциалом 6 В находится в том месте покрытия, которое испытывает существенную перестройку структуры под действием ролика. Сильное сжатие элементов покрытия приводит к увеличению площади контакта между элементами и, следовательно, к уменьшению электрического сопротивления. Поэтому в соответствии с законами Ома и Джоуля-Ленца в данной области наблюдаются наибольшая сила тока и наибольший разогрев. При этом, наибольший разогрев покрытия при электромеханической обработке производится как раз в том месте, где он и необходим — в месте основного входа механических напряжений.

Рис. 6. Распределение электрического потенциала в покрытии вблизи ролика

С помощью разработанной модели проведена серия компьютерных экспериментов, в которой изменяли расход порошка в диапазоне от 0,001 до 5 г/с. Расход порошка, при одинаковой скорости движения плазмотрона относительно неподвижной восстанавливаемой поверхности, определяет толщину слоя покрытия (рис. 7). Анализируя рисунок, можно заметить, что при любой толщине слоя механическое действие ролика приводит к существенному снижению шероховатости поверхности.

В приведенных ниже сериях графиков результаты компьютерных экспериментов аппроксимированы B-сплайнами с помощью программы «Microcal Origin 7». Плотность покрытия увеличивается с увеличением расхода порошка (рис. 8, а), так как при малом расходе покрытие имеет островковую структуру и с увеличением расхода сплошность покрытия увеличивается. Обкатка роликом покрытия позволяет увеличить его плотность ориентировочно на 5% по сравнению с обычным плазменным напылением. Шероховатость поверхности покрытия существенно снижается при обкатке (на 40−70%, рис. 8, б). Кроме того, шероховатость незначительно растет с увеличением Q_П, так как с увеличением толщины покрытия увеличивается амплитуда неровностей поверхности.

Рис. 7. Влияние расхода порошка Q_П на толщину покрытия за один проход без пропускания электрического тока через покрытие

В результате обкатки роликом снижается когезионнная прочность покрытия (рис. 8, в). Данный отрицательный эффект выражен тем сильнее, чем больше толщина покрытия при расходах порошка менее 3 мг/с. Снижение когезионной прочности может служить косвенным подтверждением увеличения остаточных растягивающих напряжения в покрытии в направлении, перпендикулярном его поверхности. Аналогичный отрицательный эффект механического воздействия получен в отношении остаточных напряжений (рис. 8, г). Стоит также отметить, что средняя величина остаточных напряжений растет с увеличением толщины покрытия (или, что практически то же самое, с увеличением расхода порошка Q_П). Это имеет место во всем интервале расхода порошка Q_П несмотря на повышение силы когезии при Q_П? 3 мг/с (рис. 8, в).

Рис. 8. Влияние расхода порошка Q_П на плотность образующегося покрытия (а); шероховатость поверхности (б); когезионную прочность покрытия (в) и величину остаточных напряжений (г): 1 — без обкатки роликом; 2 — обкатка роликом без пропускания электрического тока; 3 — электромеханическая обработка роликом

Обобщая полученные результаты, можно заключить, что механическая обработка позволяет улучшить плотность покрытия и снизить шероховатость, однако приводит к снижению когезии и росту внутренних напряжений. Электромеханическая обработка непосредственно после плазменного нанесения покрытия позволяет устранить отрицательный эффект механической обработки, заключающийся в создании дополнительных внутренних повреждений покрытия. Об этом свидетельствует близость линии 3 на рисунке 8, в, г к линии 1. При этом сохраняется положительный эффект механической обработки, заключающийся в увеличении плотности и снижении шероховатости (линия 3 на рисунке 8, а, б).

Для исследования влияния силы прижатия обкатывающего ролика к поверхности детали проведена серия компьютерных экспериментов, в которой варьировали давление обкатки P_Р на уровнях 0,1; 0,3; 1,0; 3,0; 10; 30; 100; 300; 1000 МПа (рис. 9).

Рис. 9. Влияние давления обкатки ролика Р_Р на плотность образующегося покрытия (а); шероховатость поверхности (б); когезионную прочность покрытия (в) и величину остаточных напряжений (г): 1 — обкатка роликом без пропускания электрического тока; 2 — электромеханическая обработка роликом

Анализируя графики, можно заметить, что плотность покрытия и когезионная прочность практически не зависят от давления обкатки (рис. 9, а, в). При увеличении давления обкатки Р_Р шероховатость поверхности сначала уменьшается (Р_Р менее 3 МПа), что связано с увеличивающейся способностью ролика распределять выступающие части покрытия между впадинами (рис. 9, б). При давлении же обкатки более 100 МПа происходит механическое разрушение покрытия, поэтому в данном диапазоне Р_Р наблюдается рост шероховатости. Наименьшая шероховатость поверхности наблюдается в довольно широком диапазоне Р_Р от 2 до 100 МПа. Остаточные напряжения у_ост растут с увеличением Р_Р (рис. 9, г).

Сравнивая линии 1 и 2 на рисунке 9, можно отметить, что использование электромеханической обработки, по сравнению с чисто механической обработкой, приводит к улучшению показателя R_q ориентировочно на 20%, показателя у_ког — примерно в 2 раза, показателя у_ост — примерно в 3 раза.

Таким образом, проведенные оценки на основе компьютерного моделирования позволяют заключить, что механическая (либо электромеханическая) обработка плазменного покрытия приводит к повышению его плотности ориентировочно на 10% и снижению шероховатости ориентировочно вдвое. Электромеханическая обработка по сравнению с чисто механической, приводит к повышению когезионной прочности покрытия примерно вдвое и снижению остаточных напряжений в 2−5 раз.

плазменное напыление упрочнение деталь.

• 1 Посметьев, В. И. Управление качеством плазменных покрытий деталей машин на основе модуляции параметров плазмотрона и электромеханической обработки [Текст] / В. И. Посметьев, А. М. Кадырметов, В. О. Никонов, А. Ф. Мальцев // Мир транспорта и технологических машин. — Орел: Госуниверситет — УНПК, 2011. — № 4(35). — С. 23−31.
• 2 Premoze S., Tasdizen T., Bigler J. et al. Particle Based Simulation of Fluids // Eurographics, 2003. — Vol. 22. — № 3. — P. 103−113.
• 3 Гулд, Х Компьютерное моделирование в физике [Текст] / Х. Гулд, Я. Тобочник // в 2 ч. Ч.2: Пер. с англ. — М.: Мир, 1990 — 400 с.
• 4 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 013 612 101 от 14.02.13 г. Программа для моделирования способа комбинированного упрочнения поверхностей деталей [Текст] / В. О. Никонов, А. М. Кадырметов, В. И. Посметьев, В. В. Посметьев; правообладатель ФГБОУ ВПО ВГЛТА. — № 2 012 661 430; заявл. 21.12.2012; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 14.02.2013.