Исследование процессов электрохимической, вакуумно-плазменной и электронно-лучевой обработки материалов

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра Технологии машиностроения

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине: Теоретические основы обработки материалов концентрированными потоками энергии

Исследование процессов электрохимической, вакуумно-плазменной и электронно-лучевой обработки материалов

Группа ВТ-451

Студент Бурханова А. М.

Консультант Галиев В. Э.

Принял Галиев В. Э.

Уфа 2013

Содержание

Введение

1. Расчет параметров электрохимической обработки детали из материала 23×12НВФА

1.1 Механизм анодного растворения

1.2 Расчет электрохимического эквивалента обрабатываемого материала

1.3 Электропроводность рабочей жидкости

1.4 Расчет скорости анодного растворения

1.5 Расчет величины технологического тока и его плотности

1.6 Расчет минимально необходимой скорости течения электролита

1.7 Расчет необходимого перепада давления при перемещении электролита в зазоре

1.8 Расчет расхода электролита

1.9 Расчёт размеров формообразующей части электрода-инструмента

1. 10 Расчет площади сечения токоподвода

1. 11 Вывод

2. Расчет характеристик процессов на поверхности твердого тела при вакуумном ионно-плазменном напылении покрытия zrb

2.1 Расчет ионного тока насыщения

2.2 Расчет толщины двойного слоя, определяемого дебаевским радиусом экранирования лD

2.3 Расчет потоков ионов металла ni и молекулярного газа nг в произвольной точке на единицу площади в единицу времени

2.4 Расчет энергии Дq, выделяемой на поверхности конденсации за единицу времени

2.5 Расчет количества газа, вступившего в реакцию с металлом nx

2.6 Расчет содержания неметалла Cx в соединении ZrB

2.7 Расчет порогового значения потенциала подложки Uпкр

2.8 Вывод

3. Исследование характеристик температурных полей при наплавке покрытия плазменно-дуговым методом

3.1 Теоретическая часть

3.1.1 Краткая характеристика обрабатываемого материала

3.1.2 Понятие наплавки и ее виды

3.2 Расчет параметров обработки

3.3 Построение зависимости температурных полей предельного состояния при изменении технологических параметров обработки

3.4 Расчет зависимости времени пребывания выше температуры закалки от параметров обработки

3.5 Построение зависимости времени пребывания выше температуры закалки от параметров обработки

3.6 Вывод

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

В условиях современной рыночной экономики главным двигателем внедрения новых технологий, использующие концентрированные потоки энергий и оборудования для их реализации, являются инновации в области процессов взаимодействия заряженных частиц с поверхностью твердого тела. Данные взаимодействия должны базироваться на принципиально новых научно-технических достижениях, новых физических принципах позволяющих улучшить технологические показатели обработки и поставить на производство оборудование нового поколения.

Цель выполнения курсовой работы является формирование знаний, общих представлений и инновационных подходов в области описания процессов формообразования и изменения свойств поверхностного слоя при воздействии концентрированными потоками энергии (КПЭ) для технологических целей.

Основной задачей выполнения курсовой работы является систематизация, закрепление, углубление и расширение знаний, умений, навыков по изучению основных закономерностей электрофизических, электрохимических методов воздействия на обрабатываемую поверхность при изучении дисциплины: теоретические основы обработки КПЭ.

Данная курсовая работа состоит из трёх разделов:

1. Основы электрохимической обработки материалов;

2. Основы нанесения покрытий в вакууме;

3. Основы лазерной и электронно-лучевой обработки материалов.

1. Расчет параметров электрохимической обработки детали из материала 23х12НВФА

Исходные данные:

Характеристика детали:

Марка материала — 23Х12НВФА- коррозионно-стойкая, жаропрочная сталь мартенситного класса

Габаритные размеры паза:

длина (А) — 15 мм;

ширина (В) — 8 мм;

глубина (Н) — 8 мм.

Режимы обработки:

Водный раствор электролита — 10%NaCl+ 10%NaNO3;

межэлектродный зазор (МЭЗ) — 0,1 мм;

напряжение на клеммах источника (U) — 18 В;

температура электролита — 20 °C.

Рисунок 1.1 — Эскиз обрабатываемой детали

Необходимо:

— рассчитать электрохимический эквивалент обрабатываемого материала;

— из справочной литературы в зависимости от состава, концентрации и температуры электролита определить электропроводность рабочей жидкости;

Учитывая размеры и форму обрабатываемой детали, выбранных или назначенных режимов обработки рассчитать:

— скорость анодного растворения;

— величину технологического тока, плотность тока;

— минимально необходимую скорость течения электролита;

— необходимый перепад давления при перемещении электролита в зазоре;

— расход электролита;

— размеры формообразующей части электрод-инструмента;

— площадь сечения токопровода.

1. 1 Механизм анодного растворения

Удаление металла при размерной электрохимической обработке (ЭХО) происходит под действием электрического тока в среде электролита без непосредственного контакта между инструментом и заготовкой. В основе процесса ЭХО лежит явление анодного растворения металлов. Анодное растворение может протекать в электролитах различного состава, в том числе в неагрессивных электролитах — водных растворах хлорида натрия, нитрата натрия и др. Эти соли дешевы и безвредны для обслуживающего персонала.

Под действием тока в электролите материал анода растворяется и в виде продуктов обработки выносится из промежутка потоком электролита. В результате реакций образуются газообразные продукты, которые удаляются в атмосферу. Катод, который служит инструментом, не изнашивается, что является одной из положительных особенностей процесса ЭХО.

При растворении в воде молекулы, например солей, распадаются на положительные (катионы) и отрицательные (анионы) ионы.

Молекулы воды поляризуются и располагаются в виде сферы вокруг какого-то центрального иона.

Если электроды погружены в электролит, то на их поверхности протекает обратимая реакция Ме-Меn++ne, где n — валентность металла; Меn+ — ион в растворе; е — электрон. На поверхности металла возникает положительный заряд и к нему притягиваются отрицательно заряженные ионы из раствора. На границе электролита с металлом образуется так называемый двойной электрический слой, подобный тому, какой возникает на обкладках конденсатора. Один слой представляет поверхностные заряды в металле (+), другой — ионы в растворе (-). За счет этого на электродах возникают скачки электрического потенциала. Протекание процесса ЭХО становится возможным, если приложить внешнее напряжение, превышающее разность ца — цк, где ца — скачок потенциала на аноде, а цк — скачок потенциала на катоде. При подключении электродов к источнику напряжения ионы начинают двигаться в электрическом поле через межэлектродный промежуток от электрода к электроду. 4, с. 38]

1. 2 Расчет электрохимического эквивалента обрабатываемого материала

Электрохимический эквивалент сплава рассчитывается по формуле [2, с. 28]

где xi — процентное содержание химического элемента в сплаве (табл. 1. 1);

zi — валентность химического элемента в сплаве;

Ai — атомная масса химического элемента в сплаве;

F — число Фарадея (F=26,8 А/ч).

Элементно-химический состав стали 23Х12НВФА [1, с. 497] рассмотрим ниже в табл. 1.1.

Таблица 1. 1

Химический элемент

Валентность

Процентное содержание

C

IV

0,23

Si

IV

0,2

Mn

VII

0,5

S

VI

0,025

P

V

0,03

Cr

VI

12

Ni

III

0,5

Mo

VI

0,5

V

V

0,15

W

VI

0,7

Fe

III

85,165

По формуле (1. 1) рассчитываем электрохимический эквивалент:

Объемный электрохимический эквивалент сплава определяется следующим образом:

где г — плотность сплава, г/см3.

1. 3 Электропроводность рабочей жидкости

Из справочной литературы в зависимости от состава, концентрации и температуры электролита выберем электропроводность:

для 10% NaCl ч=12,1 Ом-1-1 [2, с. 71];

для 10% NaNO3 ч=8,1 Ом-1-1 [2, с. 71].

Для сложных электролитов удельную электропроводность обычно определяют по компоненту, концентрация которого в растворе наибольшая [2, с. 71]. Получаем электропроводность электролита ч=12,1 Ом-1-1.

1. 4 Расчет скорости анодного растворения

Скорость анодного растворения определяется выражением [2, с. 23]

где з — выход по току материала заготовки (для стали 23Х12НВФА з=0,90) [2, с. 72];

бсплV — объемный электрохимический эквивалент сплава;

ч — удельная электропроводность электролита, Ом-1-1;

U — напряжение на зажимах источника тока, В;

ДU — суммарная поляризация электродов, В (ДU=2…5 В) [2, с. 23];

amin — минимальный межэлектродный зазор, мм.

1. 5 Расчет величины технологического тока и его плотности

Величина технологического тока рассчитывается по формуле [3, с. 102]

где U — напряжение на зажимах источника тока, В;

ДU — сумма анодного и катодного потенциалов, В;

S — площадь обрабатываемой поверхности, мм2;

ч — удельная электропроводность раствора, Ом-1-1;

a — межэлектродный зазор, мм.

Плотность тока определяется выражением

где I — величина технологического тока, А;

1.6 Расчет минимально необходимой скорости течения электролита

Для расчета минимально необходимой скорости течения электролита следует определить скорость электролита Vэ', которая могла бы обеспечить полный унос продуктов анодных и катодных реакций из указанного пространства, затем скорость Vэ", которая исключила бы в нем недопустимый перегрев электролита.

Vэ' рассчитаем по формуле [2, с. 110]

где k = 4,64 — безразмерный коэффициент;

v — кинематическая вязкость электролита в пределах диффузионного слоя (v = 1,2…1,8 мм2/с) [2, с. 20];

l — длина участка заготовки, на котором происходит анодное растворение в направлении течения электролита, мм (l = А/2 = 15/2 = 7,5 мм);

с — плотность продуктов обработки (она превышает плотность электролита и по экспериментальным данным может быть принята в пределах 2500…3000 кг/м3) [2, с. 20];

D — коэффициент диффузии, изменяется в зависимости от концентрации электролита и его температуры (D = 1,3?10-3 мм2/с) [2, с. 20];

cа — массовая доля продуктов обработки на аноде (изменяется в широких пределах в зависимости от режим протекания процесса ЭХО, скорости выноса продуктов обработки, cа = 0,95) [2, с. 20];

cвх — массовая доля продуктов обработки в электролите на входе в зазор (зависит от степени очистки электролита после прокачки через рабочую зону, cвх=0,05) [2, с. 20];

Vэ' - средняя по потоку скорость течения электролита (Vэ' = 5…40 м/с)

Vэ' = 7,079 м/с.

Скорость, исключающая перегрев электролита, определяется следующим образом [2, с. 20]

где ДT — допустимый нагрев электролита, определяется точностью ЭХО.

На практике ДT = 5 — 10 єC. для небольших по длине поверхностей принимается меньшее значение ДT. Примем ДT = 5 єС [2, с. 21];

сэ — плотность электролита, г/мм3э = 1,06…1,13 г/см3) [2, с. 21];

cэ — теплоемкость электролита (cэ = 4,18 Дж/(г?єС)) [2, с. 21].

l — длина обрабатываемой поверхности в направлении течения электролита, мм (l=(В-d)/2=(8−1,3)/2=3,35 мм);

Скорость электролита Vэ = max{Vэ', Vэ«}. Поэтому в дальнейших расчетах принимаем большее из двух полученных значений скорости Vэ = 30,07 м/с.

Находим число Рейнольдса

Re=6664 > 2320 -режим движения жидкости турбулентный.

1.7 Расчет необходимого перепада давления при перемещении электролита в зазоре

Необходимый перепад давления при перемещении электролита в зазоре рассчитывается по формуле [2, c. 21]

где ДP — потери пьезометрического давления, Па;

Vэ — средняя по потоку скорость течения электролита, м/с;

сэ — плотность электролита;

l — длина межэлектродного пространства, мм (l=(B-d)/2+H= =(8−1,3)/2+8=11,35);

g — ускорение (9,8 м/с2);

D — гидравлический диаметр — отношение учетверенного сечения канала Sк к его периметру П;

1. 8 Расчет расхода электролита

Напор, создаваемый агрегатом прокачки электролита (например, насосом), должен компенсировать не только перепад давления в межэлектродном пространстве ДP, но и потери давления в подводящей магистрали и на выходе из рабочей зоны (противодавление электролита).

Расход электролита определяется выражением [2, с. 21]

где Qэ — расход электролита, см3/с;

м — коэффициент расхода (для плоской щели м = 0,66…0,8) [2, с. 21].

1.9 Расчет размеров формообразующей части электрода-инструмента

Для обеспечения постоянной формы сечения межэлектродного пространства рабочая часть электрода-инструмента имеет только токопроводящий буртик высотой h, остальная часть покрыта электроизоляционным слоем.

Высота токопроводящего буртика определяется по формуле [4]

где at — торцевой межэлектродный зазор, aт = a = 0,1 мм.

Боковой зазор находится следующим образом [4]:

Длиновые размеры сечения электрода-инструмента рассчитываются по формуле:

Диаметр отверстий для подачи электролита находим из формулы:

Рисунок 2 — Эскиз электрода-инструмента

Длина рабочей части электрода-инструмента

где vл — относительный износ электрода-инструмента (vл = 5,6%).

1. 10 Расчет площади сечения токопровода

Площадь сечения токопровода

где IТ — величина технологического тока, А;

jП — плотность тока (jП = 1 — 2 А/мм2). Принимаем jП = 1,5 А/мм2.

1. 11 Вывод

Высокие технологические характеристики процесса ЭХО должен обеспечивать электролит, потому что выполняет ряд функций: он является средой, в которой протекают электрохимические реакции, и носителем необходимых токопроводящих ионов, без которых невозможны эти реакции. Поток электролита смывает с обрабатываемой поверхности продукты анодного растворения и охлаждает электроды. Поэтому он должен иметь высокую электропроводность, невысокую вязкость, быть недорогим, недефицитным и безопасным. Кроме того, он должен обеспечивать протекание на катоде электрохимических реакций с выделением только газообразного вещества.

Данный двухкомпонентный электролит состава 10%NaCl+10% NaNO3 достаточно полно удовлетворяет вышеперечисленным требованиям. Он имеет достаточно высокую удельную электропроводность (ч=12,1 Ом·м), невысокую вязкость (=1,8 мм2/с) и обеспечивает высокую скорость анодного растворения (=1,813 мм/мин).

Помимо электропроводности на энергоемкость и производительность процесса оказывают такие параметры, как величина технологического тока (I=167,147А), плотность тока (i=157,3 А/см2), необходимый перепад давления при перемещении электролита в зазоре (ДР=Па), расход электролита (Q=см3/с), площадь сечения токоподвода (S=мм2).

2. Расчет характеристик процессов на поверхности твердого тела при вакуумном ионно-плазменном напылении покрытия zrb

Исходные данные

Pгаза = 1,04·10-4 мм рт. ст. ;

Uп = 150 В;

Tст = 300 К;

Tп = 450 єС = 723 К;

Iр = 160 А.

Соединение ZrB.

Порошок борида циркония применяют в качестве компонентов жаропрочных сплавов типа боролитов, для изготовления огнеупорных материалов, нагревателей, высокотемпературных термопар, деталей и арматуры печей черной и цветной металлургии, тиглей для прецизионной металлургии, труб для перекачки расплавленных металлов, в качестве присадки к управляющим стержням ядерных реакторов и абразивного материала в инструментальной промышленности.

Необходимо определить:

— ионный ток насыщения ji max;

— толщину двойного слоя, определяемую дебаевским радиусом экранирования лD;

— потоки ионов металла и молекулярного газа в произвольной точке на единицу площади в единицу времени ni, nг;

— энергию, выделяемую на поверхности конденсации за единицу Дq;

— количество газа, вступившего в реакцию с металлом nx;

— содержание неметалла Cx в соединении;

— пороговое значение потенциала подложки Uпкр.

2. 1 Расчет ионного тока насыщения

При подаче на обрабатываемую поверхность, находящуюся в плазме достаточно высокого отрицательного потенциала, поступает ионный ток насыщения, величина плотности которого в неравновесной плазме дается формулой [5, c. 18]

где мр — коэффициент эрозии катода, мр = 79·10-9 кг/Кл [6, с. 152];

— среднее зарядовое число ионов, =1,94 [6, с. 152];

mi — масса конденсирующегося иона, mi = 151,398·10-27 кг [6, с. 151];

Rк — радиус катода, Rк = 0,04 м [6, с. 150];

Iд — ток дуги, А;

l — расстояние от торца катода до обрабатываемой поверхности, l=0,2 м [6, с. 149].

2.2. Расчет толщины двойного слоя, определяемого дебаевским радиусом экранирования лD

Поверхность в плазме оказывается окруженной слоем из положительных ионов двойного слоя. Толщина двойного слоя определяется дебаевским радиусом экранирования [5, с. 19]

где Te — температура электронов, эВ (Te = 4 эВ);

k — постоянная Больцмана, (k = 1,38·10-23 Дж/К);

е — заряд электрона, (е = 1,6·10-19 Кл);

ni — поток ионов металла [5, стр. 19]:

Подставляя значения Te и ni получаем

2.3 Расчет потоков ионов металла ni и молекулярного газа nг в произвольной точке на единицу площади в единицу времени

Молекулы газа, адсорбированные на поверхности конденсации, приводят к образованию соединений за счет диссоциативной хемосорбции путем возникновения двух ковалентных связей металл — газ.

Поток ионов металла Zr в произвольной точке на единицу площади в единицу времени определяется соотношением [5, c. 19]:

Поток ионов газа в произвольной точке на единицу площади в единицу времени определяется соотношением [5, c. 19]:

где бк — коэффициент конденсации (бк=1);

k — постоянная Больцмана (k= 1,38·10-23 Дж/К);

Рг — давление газа, Па;

m — масса молекулы (для молекулярного газа) или атома (для атомарного газа), кг; mB=10,811г/моль=10,811 · 1,67 · 10-27= 18,05 ·10-27 кг;

Т — температура газа (Т300 К).

2.4 Расчет энергии Дq, выделяемой на поверхности конденсации за единицу времени

На поверхности конденсации за единицу времени выделится энергия, определяемая соотношением [5, с. 20]

где Uп — отрицательное напряжение смещения на подложке относительно плазмы, В;

— средняя энергия ионов, = 147·10-19 Дж [3, с. 57];

Qк — энергия, выделяющаяся при конденсации одного иона, Дж.

где Qи — теплота испарения металла, Дж/моль (для Zr Qи=567 кДж/моль);

Nа — число Авогадро, Nа = 6,02·1023 моль-1.

Тогда энергия Дq на поверхности конденсации за единицу времени будет следующей

2. 5 Расчёт количества газа, вступившего в реакцию с металлом nx

Количество газа, вступившего в реакцию с металлом Zr, рассчитывается по формуле [5, с. 21]

где Тст — температура стенок камеры, К;

еr — интегральный коэффициент излучения наносимого материала, (еr=0,3) [6, с. 151];

Тп — температура подложки, К;

у — постоянная Стефана-Больцмана (у =5,67·10-8 Дж/(с·м2·К4));

Qp — потенциальный барьер реакции, который находится как

где c — теплота образования, Дж/моль (для ZrВ с = 50 241,6 Дж/моль [7, с. 380]).

Na — число Авогадро, Na = 6,022·1023 моль-1.

Тогда количество газа, вступившего в реакцию с металлом

2.6 Расчет содержания неметалла Cx в соединении ZrB

Если энергия Дq, подводимая к поверхности, достаточна для того, чтобы весь падающий на поверхность подложки поток газа образовал химическое соединение, то содержание неметалла Сx не зависит от энергии ионов и будет определяться только потоком nг, т. е давлением газа, тогда [5, с. 21]

Подставляя числовые значения, получим

или

2.7 Расчет порогового значения потенциала подложки Uпкр

Пороговое значение потенциала подложки, при котором весь поток газа вступает в химическое соединение, однозначно связанное с давлением газа, можно найти из соотношения [5, с. 21]:

При подстановке числовых значений получаем

Для получения ZrВ стехиометрического состава необходимо обеспечить условие:

Данное условие выполняется (см. п. 3. 6). Вероятность поступления реактивного газа в молекулярном или атомарном состоянии на подложку будет определяться величиной давления.

2.8 Вывод

При решении данной задачи были рассчитаны основные технологические параметры процесса вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытия ZrB. :

— ионный ток насыщения ji=198,623 А/м2;

— потоки ионов металла молибдена и молекулярного газа азота в произвольной точке на единицу площади в единицу времени ni=63,989•1019ион/м2, nг=63,989•1019 атом/м2;

— энергия, выделяемая на поверхности конденсации за единицу Дq=39 802,12 Дж/м2;

— количество газа, вступившего в реакцию с металлом nx=13 027,68•1019 атом/м2;

— пороговое значение потенциала подложки Uпкр=-27,684 В

3. Исследование характеристик температурных полей при наплавке покрытия плазменно-дуговым методом

Задание

На поверхность заготовки из различных материалов наплавляют валик покрытия плазменно-дуговым методом, при котором плазматрон перемещается с постоянной скоростью вдоль обрабатываемой поверхности.

Ниже в табл. 3.1 приведены значения параметров напряжения, силы тока, скорости движения плазматрона и диаметров наплавляемого валика для сплава 40Х13.

Таблица 3. 1

Параметры

Значения параметров

U, В

180

178

176

174

172

I, А

150

180

210

240

270

V, м/ч

6

9

12

dп, мм

5

7

9

1. Выбрать марку обрабатываемого материала в зависимости от порядкового номера студента в списке группы.

2. Рассчитать и построить зависимости температурных полей предельного состояния при изменении технологических параметров наплавки.

3. Определить зависимости термического цикла в точках, удаленных на различное расстояние от оси наплавляемого валика, от параметров обработки.

4. Определить зависимости времени пребывания выше температуры закалки в точках, удаленных на различное расстояние от оси наплавляемого валика, от параметров обработки.

5. Определить зависимости изменения глубины зоны проплавления, закалки и отпуска материала заготовки в зависимости от параметров обработки.

3.1 Теоретическая часть

3.1.1 Краткая характеристика обрабатываемого материала

Сплав 40Х13 применяется для изготовления режущего, мерительного инструмента, пружин, предметов домашнего обихода, подшипников, деталей компрессоров и других изделий, работающих до температур 400−450 °С и в слабоагрессивных средах. Сталь 40Х13 трудно сваривается.

Сталь выплавляют в открытых электродуговых или индукционных печах.

Теплофизические свойства обрабатываемого материала:

Температура плавления — 1400 оС;

Температура закалки — 1050 оС;

Температура отпуска — 600 оС

Температура критических точек:

Ас1 = 820 оС;

Ас3(Аcm) = 880 оС;

Аr1 = 780 оС;

Mn = 270 оС;

Плотность — 7,65 г/см3;

Удельная теплоемкость — 0,236 кал/г•град;

Коэффициент теплопроводности — 0,069 кал/см•с•град [8, c. 20].

3.1.2 Понятие наплавки и ее виды

Наплавка — нанесение с помощью сварки слоя металла на поверхность изделия. Основные схемы плазменной наплавки представлены на рис. 3.1.

В различных случаях при наплавке необходимо комплексно решать ряд сложных вопросов:

— выбор материала, обеспечивающего соответствующие условиям эксплуатации свойства;

— возможность наплавки этого материала непосредственно на основной металл детали или подбор материала для наплавки подслоя;

— выбор способа и режима наплавки, формы и методов изготовления наплавочных материалов;

— выбор термического режима для выполнения наплавки (сопутствующего подогрева для исключения получения хрупких подкаленных зон в металле детали или в хрупком наплавленном слое;

— интенсификации охлаждения наплавляемой детали, когда для металла нежелательно длительное пребывание при высоких температурах);

— установление необходимости последующей термической (общей или местной) обработки (для получения необходимых эксплуатационных характеристик или возможности промежуточной механической обработки).

При возможности получения желаемых результатов путем использования нескольких способов наплавки (если необходимо и последующей механической обработки) важны и технико-экономические показатели сопоставляемых способов [10].

Рисунок 3.1 — Схемы плазменной наплавки:

а) плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой; б) плазменной дугой с нейтральной присадочной проволокой; в) комбинированный (двойной) дугой одной проволокой; г) то же, с двумя проволоками; д) горячими проволоками; е) плавящимся электродом; ж) с внутренней подачей порошка в дугу; з) с внешней подачей порошка в дугу; 1 — защитное сопло; 2 — сопло плазмотрона; 3 — защитный газ; 4 — плазмообразующий газ; 5 — электрод; 6 — присадочная проволока; 7- изделие; 8 — источник питания косвенной дуги; 9 — источник питания дуги прямого действия; 10 — трансформатор; 11 — источник питания дуги плавящегося электрода; 12 — порошок; 13 — порошок твердого сплава.

3.2 Расчет параметров обработки

Рисунок 3.2 — Схема модели движущегося точечного источника тепла по поверхности полупространства

Определим распространение тепла в зоне соизмеримой с размерами наплавляемого валика

t — время экспозиции, или нахождения тепла под зоной обработки;

где d(в) — диаметр валика;

V — скорость перемещения плазматрона.

Vт — V, т. е. скорость распространения тепла примерно соответствует скорости передвижения плазматрона (табл. 3. 1). Поэтому для решения данной тепловой задачи используется модель движущегося источника тепла по поверхности полупространства.

Тогда для расчета температуры используется следующая формула [11, стр. 82; ]:

где x — абсцисса точки A в подвижной системе координат;

a = лт/(cг) — коэффициент температуропроводности;

R — постоянный радиус-вектор в подвижной системе координат, т. е. расстояние рассматриваемой точки A от начала координат 0 подвижной системы координат;

q — тепловая мощность.

где I, U — соответственно ток и напряжение, при которых происходит обработка;

з — КПД процесса наплавки.

где з1 — КПД плазматрона;

з2 — КПД, связанный с передачей энергии от струи на подложку.

Примем з = 50%. [11, стр. 53−54]

3. 3 Построение зависимости температурных полей предельного состояния при изменении технологических параметров обработки

электрохимический вакуумный плазменный дуговой

С помощью программного пакета MathCad были получены кривые термического цикла, представленные на рис. 3.2 — 3.8.

1) V1 = 6 м/с = 0,166 см/с — скорость перемещения плазматрона;

q1 = зI1U1 = 0,5·180·150 = 13 500 Вт 3230 кал/с — тепловая мощность.

В MathCad задаем соответствующие параметры, при которых происходит обработка, и формулу:

Далее по полученным кривым находим Tm, tm, wохл, tр.з. .

Tm — это есть максимальная температура, соответствующая экстремуму каждой кривой, находим по графику.

Рисунок 3.2 — Кривые термического цикла при q1 и V1

Для нахождения tm воспользуемся формулой

где tm — время достижения максимальной температуры;

— координата максимальной температуры (находим по графику);

V — скорость передвижения источника тепла.

Получаем,

при y = 0, tm = 0, так как Tm =;

при y = 1,268: c;

при y = 1,481: с;

при y = 1,989: с;

Скорость охлаждения металла детали найдем по формуле

Получаем,

Скорость роста зерна найдем по формуле

где x'зак.  — это координата пересечения кривой с температурой закалки при нагревании (в том случае если кривая не пересекает температуру плавления);

xпл.  — это координата пересечения кривой с температурой плавления при остывании (в том случае если кривая пересекает температуру плавления);

xзак.  — это координата пересечения кривой с температурой закалки при остывании.

Получаем,

для у =1,481 см скорость роста зерна будет равен нулю, а при у =1,989 см скорость роста зерна отсутствует, так как образование зерна в принципе не происходит.

Результаты, полученные в ходе решения занести в таблицу 3. 2

Таблица 3. 2

у

0

1,8

2,1

2,9

Tm, °С

1402

1052

603

tm, с

0

11,48

15,87

26,95

wохл, °С/с

-1,758

-1,758

-1,758

-1,758

tр.з. , с

9,98

15,968

0

-

2) V1 = 0,166 см/с; q2 = зI2U2 = 0,5·178·180 = 16 020 Вт 3832,5 кал/с.

Таблица 3. 3

у

0

1,391

1,623

2,177

Tm, °С

1406

1051

600

tm, с

0

13,77

18,56

32,04

wохл, °С/с

-1,514

-1,514

-1,514

-1,514

tр.з. , с

13,06

18,15

0

-

Рисунок 3.3 — Кривые термического цикла при q2 и V1

3) V1 = 0,166 см/с;

q3 = зI3U3 = 0,5·176·210 = 18 480 Вт 4421 кал/с.

Рисунок 3.4 — Кривые термического цикла при q3 и V1

Таблица 3. 4

у

0

1,5

1,75

2,34

Tm, °С

1407

1053

603

tm, с

0

16,17

21,26

37,42

wохл, °С/с

-1,586

-1,586

-1,586

-1,586

tр.з. , с

14,86

21,59

0

-

4) V1 = 0,166 см/с;

q4 = зI4U4 = 0,5·174·240 = 20 880 Вт 4995 кал/с.

Рисунок 3.5 — Кривые термического цикла при q4 и V1

Таблица 3. 5

у

0

1,604

1,865

2,488

Tm, °С

1401

1054

606

tm, с

0

17,96

23,95

41,92

wохл, °С/с

-1,079

-1,079

-1,079

-1,079

tр.з. , с

17,11

25,66

0

-

5) V1 = 0,166 см/с;

q5 = зI5U5 = 0,5·172·270 = 23 220 Вт 5555 кал/с.

Рисунок 3.6 — Кривые термического цикла при q5 и V1

Таблица 3. 6

у

0

1,695

1,97

2,63

Tm, °С

1404

1055

603

tm, с

0

19,88

26,34

46,71

wохл, °С/с

-0,779

-0,779

-0,779

-0,779

tр.з. , с

18,85

27,871

0

-

6) V2 = 9 м/с = 0,25 см/с;

q5 = 5555 кал/с.

Рисунок 3.7 — Кривые термического цикла при q5 и V2

Таблица 3. 7

у

0

1,4

1,625

2,16

Tm, °С

1403

1050

604

tm, с

0

19,76

25,75

47,3

wохл, °С/с

-1,718

-1,718

-1,718

-1,718

tр.з. , с

12,46

19,846

0

-

7) V3 = 12 м/с = 0,333 см/с;

q5 = 5555 кал/с.

Рисунок 3.8 — Кривые термического цикла при q5 и V3

Таблица 3. 8

у

0

1,219

1,412

1,88

Tm, °С

1403

1054

600

tm, с

0

19,76

26,94

47,30

wохл, °С/с

-1,873

-1,873

-1,873

-1,873

tр.з. , с

9,06

13,71

0

-

3.4 Расчет зависимости времени пребывания выше температуры закалки от параметров обработки

На основании построенных кривых термического цикла была получена зависимость времени пребывания выше температуры закалки от величины тепловой мощности источника тепла (рис. 3. 9).

Рис. 3.9 — Зависимость времени пребывания выше температуры закалки от величины тепловой мощности источника при скорости движения источника тепла 0,167 см/с;

Рис. 3. 10 — зависимость времени пребывания выше температуры закалки от скорости движения источника тепла при тепловой мощности q=5555 кал/с

Из графика видно, что при увеличении тепловой мощности увеличивается время пребывания выше температуры закалки. Это объясняется тем, что с увеличением энергии теплового источника увеличивается мощность излучения, а, следовательно, повышается температура обрабатываемой поверхности и материал дольше находится выше температуры закалки.

3.5 Построение зависимостей изменения глубины зон проплавления, закалки и отпуска в зависимости от параметров обработки

На основании построенных кривых термического цикла (рис. 3.2 — 3. 8) была получена зависимость изменения глубины зоны проплавления, закалки и отпуска от величины тепловой мощности источника тепла (рис. 3. 10 -3. 12).

Рисунок 3. 11 — Зависимость изменения глубины зоны проплавления, закалки и отпуска от величины тепловой мощности источника тепла: ¦ - глубина зоны проплавления; ¦ - глубина зоны закалки; ^ - глубина зоны отпуска.

Рисунок 3. 12 — Зависимость изменения глубины зоны проплавления, закалки и отпуска от величины скорости движения источника тепла: ¦ - глубина зоны проплавления; ¦ - глубина зоны закалки; ^ - глубина зоны отпуска.

3.6 Вывод

По полученным графикам видно, что с увеличением мощности излучения источника нагрева, увеличивается глубина зоны проплавления, закалки и отпуска. А при увеличении скорости перемещения источника тепла ширина зон проплавления, закалки и отпуска уменьшается, так как источник нагрева при движении не успевает передать достаточного тепла обрабатываемой поверхности, и чем больше скорость движения источника нагрева, тем меньше ширина зон проплавления, закалки и отпуска. Таким образом, глубина зон закалки, отпуска и проплавления уменьшается настолько быстрее, насколько быстрее увеличивается скорость движения источника нагрева.

Заключение

В результате выполнения данной курсовой работы были рассмотрены физико-химические процессы на поверхности твердого тела при электрохимической обработке, при вакуумной ионно-плазменной обработке, при лазерной обработке.

Электрохимический метод позволяет обрабатывать заготовки из токопроводящих материалов с высокими механическими свойствами, которые трудно или практически невозможно обрабатывать другими методами. Кроме этого, метод дает возможность получать самые сложные поверхности. Результаты расчётов при электрохимической обработке приведены в приложении 1.

В зависимости от параметров плазменного потока в процессе синтеза покрытий методом вакуумной ионно-плазменной обработки рассчитаны характер и эффективность плазмохимических реакций. Было обеспечено условие получения соединения ZrВ стехиометрического состава. Результаты расчётов при вакуумной ионно-плазменной обработке приведены в приложении 2.

По полученным графикам при наплавке плазменно-дуговым методом видно, при увеличении тепловой мощности увеличивается время пребывания выше температуры закалки. С увеличением тепловой мощности источника при постоянной скорости, также увеличивается глубина зоны проплавления, закалки и отпуска. Это происходит, поскольку при увеличении энергии теплового источника увеличивается мощность излучения источника нагрева, что способствует повышению температур и увеличению глубины закалки, отпуска и проплавления соответственно. Но глубина зоны проплавления, закалки и отпуска уменьшается при увеличении скорости перемещения плазматрона при постоянной тепловой мощности вследствие того, что источник нагрева при движении не успевает передать достаточного тепла обрабатываемой поверхности.

Список литературы

1. М. М. Колосков, Е. Т. Долбенко, Ю. В. Каширский и др. Марочник сталей и сплавов/под общей ред. А. С. Зубченко.? М.: Машиностроение, 2001. 672 с.: ил.

2. Филимошин В. Г., Шулепов А. П. Проектирование технологических процессов электрохимического и комбинированных методов обработки поверхностей деталей двигателей летательных аппаратов. Учеб. пособие.? Куйбышев, 1985.

3. Артамонов Б. А., Волков Ю. С., Дрожалова В. И. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. Учебное пособие (в 2-х томах). Обработка материалов с применением инструмента / под ред. В. П. Смоленцева — М.: Высш. шк., 1983 г.

4. Амирханова Н. А., Зайцев А. Н., Зарипов Р. А. Электрохимическая размерная обработка материалов в машиностроении: Учебное пособие / Н. А. Амирханова, А. Н. Зайцев, Р. А. Зарипов; Уфимск. гос. авиац. ун-т. — Уфа, 2004.- 258 с.

5. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Теоретические основы обработки концентрированными потоками энергии» / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост: Р. М. Киреев — Уфа, 2008. — 57 с.

6. В. В. Будилов, Р. М. Киреев, С. Р. Шехтман. Технология вакуумной ионно-плазменной обработки. Учеб. пособие.? М., 2007.

7. Самсонов Г. В., Марковский Л. Я., Жигач А. Ф., Валяшко М. Г. Бор, его соединения и сплавы.? К.: Изд-во АН УССР, 1960

8. Шлямнев А. П. и др. Издательство: Интермет Инжиниринг, 2000.

9. Григорьянц А. Г. Основы лазерной обработки материалов.? М.: Машиностроение, 1989. — 304 с.

10. Наплавка и напыление. www. svarkainfo. ru/rus/technology/naplavka/

11. Попилов Д. Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов: Справочник — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1982. — 400 с., ил. (Серия справочников для рабочих)

12. Волонченко В. Н. Сварка и свариваемые материалы. Справочник в 3-х томах. Том 2. Технология и оборудование / Под ред. В. М. Ямпольского — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1996. — 574 с., ил.

Приложение 1

Результаты расчётов при электрохимической обработке

Электрохимический эквивалент,

0,01 г/(А·мин)

Объемный электрохимический эквивалент,

0,128 см3/(А·мин)

Электропроводность рабочей жидкости, ч

10% NaNO3

10% NaCl

12,2 Ом-1·м-1

8,1 Ом-1·м-1

Скорость анодного растворения, Vа

1,813 мм/мин

Величина технологического тока, I

167,15 А

Плотность тока, i

157,3 А/cм2

Минимально необходимая скорость течения электролита, Vэ

66,71 м/c

Необходимый перепад давления, ДP

3374 Па

Расход электролита, Qэ

182, 32с

Площадь сечения токопровода,

128,57 мм²

Приложение 2

Результаты расчётов при вакуумной ионно-плазменной обработке

Ионный ток насыщения, ji

198,623 А/м2

Толщина двойного слоя, лD

5,929·10−3 см

Поток ионов метала, ni

63,989·1019 ион/м2

Поток молекулярного газа, nг

63,989·1019 атом/м2

Энергия, выделяемая на поверхности конденсации за единицу времени, Дq

39,802 кДж/м2

Количество газа, вступившего в реакцию с металлом, nx

13 027,68·1019 атом/м2

Содержание неметалла в соединении, Cx

1

Пороговое значение потенциала подложки, Uпкр

-27,684 В

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой