Разработка технологического процесса вибрационного метода плазменного упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Байниязова Акмарал Таскараевна

• Байниязова Акмарал Таскараевна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Байниязова Акмарал Таскараевна

2.1 Общие сведения

2.2 Сущность методов электроискровой и вибродуговой обработки

2.3 Особенности электрической искры и вибродуги

2.4 Модель процесса вибрационно-плазменного модифицирования поверхностного слоя металла

2.5 Продолжительность горения электрической искры в межэлектродном пространстве

2.6 Выводы по разделу

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОГРАММА И

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Экспериментальные установки

3.1.1 Установка вибродугового упрочнения ВДГУ-2

3.1.2 Устройство для электроискрового легирования металлов по патенту

РФ №

3.1.3 Электроискровая установка БИГ-5

3.1.4 Экспериментальная инверторная вибродуговая установка

3.2 Программа исследований

3.3 Методики исследований и исследовательское оборудование

3.3.1 Методика изготовления образцов для виброплазменной обработки и исследования микроструктуры поверхностного слоя

3.3.2 Исследовательское оборудование

3.3.3 Методика подготовки шлифов образцов для исследований микроструктуры и твердости обработанных поверхностей

3.3.4 Методика исследований морфологии поверхности, обработанной виброплазмой

3.3.5 Методика исследований структуры и микротвердости поверхностного слоя изделия, обработанного виброплазмой

3.3.6 Методика оценки износостойкости поверхностного слоя изделия, обработанного виброплазмой

3.3.7 Методика сравнительных ресурсных испытаний на абразивный

износ рабочих органов почвообрабатывающих машин

3.3.8 Методика испытаний в полевых условиях

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН МЕТОДАМИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ И ВИБРОДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ

4.1 Фотографии обработанных образцов виброплазмой

4.2 Исследования морфологии поверхностных слоев образцов, обработанных электрической искрой

4.2.1 Сравнительная характеристика морфологий поверхностных слоев образцов, обработанных различными электроискровыми устройствами и различными электродными материалами

4.2.2 Исследование морфологии, элементного состава и спектра характеристического рентгеновского излучения образца, обработанного в сочетании с электроискрой и вибродугой

4.3 Исследование микроструктуры поперечного шлифа обработанных

образцов виброплазмой

4.4 Трибологические исследования поверхностей деталей из стали 65Г, упрочненных вибродуговым методом

4.5 Металлографические исследования микротвердости обработанных образцов виброплазмой

4.6 Сравнительные ресурсные испытания на абразивный износ зубьев борон

4.7 Эксплуатационные испытания упрочненных стрельчатых лап культиваторов

4.8 Выводы по разделу

5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН МЕТОДОМ ВИБРОПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ, ОЦЕНКА ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И РЕКОМЕНДАЦИИ

5.1 Технологический процесс упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин методом виброплазменной обработки

5.2 Экономическая эффективность упрочнения культиваторной лапы методом электроискровой обработки

5.3 Рекомендации по упрочнению поверхности рабочих органов

почвообрабатывающих машин методом виброплазменной обработки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Акты внедрения

Патент собственной разработки на изобретение №

Патент собственной разработки на изобретение №

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологического процесса вибрационного метода плазменного упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Проблема увеличения срока службы различных машин и оборудования за счет упрочнения поверхности их деталей всегда была в повестке дня. Однако основные исследования проводились без учета влияния морфологии, структуры и фазового состава обработанного слоя поверхности на ее физико-механические свойства. В предыдущих исследованиях различных авторов задача состояла в первую очередь только о повышении самой твердости поверхностей рабочих органов почвообрабатывающих машин различными методами без рассмотрения взаимосвязи состава, структуры и свойств упрочненного слоя материала с параметрами метода обработки. Учет этой взаимосвязи позволяет разработать рациональную технологию упрочнения рабочих органов различных машин и оборудования.

На сегодня наиболее успешно задачу упрочнения поверхностей различных деталей решают с применением плазменных технологий, в частности, с применением методов электроискровой и вибродуговой обработки. Преимущество электроискрового и вибродугового метода упрочнения заключается в следующем. При электроискровом методе на материал воздействует импульсная электрическая искра. Время действия искры в пределах от одной наносекунды до десяток наносекунд. При вибродуговой обработке время воздействия плазмы по сравнению с электрической искрой на порядок больше. В работе исследуются возможности технологий виброплазменных методов упрочнения поверхностей металлических изделий для использования в реальном секторе экономики и изучаются физико-механические свойства нанопокрытий и структурные изменения поверхностного слоя этих изделий. В работе показано, что виброплазменные методы позволяют наноструктурировать поверхностный слой металлических изделий с введением в структуру кристаллической решетки элементов из тугоплавких материалов с созданием упрочненного слоя. В работе исследованы морфология, микроструктура, элементный и фазовый состав обработанного слоя поверхности образцов и закономерности влияния режимов виброплазменной обработки на такие

показатели рабочих органов почвообрабатывающих машин, как твердость материала, износостойкость и ресурс.

Основной составляющей износа рабочих органов почвообрабатывающих машин является абразивное изнашивание. Твердость абразивов в почве, таких как гранит и кварц, достигает 300 МПа. Противостоять таким абразивам возможно только с применением технологий на основе использования концентрированных потоков энергии. Среди таких энергий особое место занимает энергия электроискрового и вибродугового разрядов. Поскольку методы электроискровой и вибродуговой обработки обладают между собой некоторой аналогией, то представляет собой научный интерес проведения сравнительного анализа между этими двумя видами обработки и выявить их преимущества и недостатки между собой. Данной работе исследуются возможности указанных видов разрядов по повышению износостойкости и ресурса работы рабочих органов почвообрабатывающих машин путем упрочнения их поверхностей. Также проводились эксперименты по обработке поверхностей в сочетании этих видов между собой.

Степень разработанности темы. Многие отечественные и зарубежные ученые посвящают свою творческую жизнь исследованиям в области разработок с применением концентрированных потоков энергии. К истокам этих разработок относятся работы супругов Лазаренко, Ф.Х. Бурумкулова, А.Д. Верхотурова, А.Е. Гитлевич, Б.Н. Золотых, Е.А. Пучина, Г.В. Самсонова. На сегодня в это направление исследований продолжают вносить свой вклад такие ученые, как Н.Р. Адигамов, Р.Р. Амиров, В.Ф. Аулов, С.А. Величко, В.А. Денисов, М.Н. Ерохин, Ю.А. Кузнецов, А.В. Коломейченко, В.П. Лялякин, В.Н. Логачев, Р.Н. Сайфуллин, Н.В. Титов, М.Н. Фархшатов, В.И. Черноиванов, С.Н. Шарифуллин и многие другие. Продолжающиеся исследования показывают, что возможно и дальнейшее совершенствование этого направления исследований по применению высокоэнергетических процессов для повышения ресурса работы различных изделий и механизмов путем упрочнения поверхностей их деталей с изменением физико-механических свойств поверхностного слоя.

Цель работы - повышение износостойкости и ресурса работы рабочих органов почвообрабатывающих машин путем упрочнения их поверхностей методом виброплазменной (электроискровой и вибродуговой) обработки.

Объект исследования - рабочие органы почвообрабатывающих машин и технологии их упрочнения.

Предмет исследования - закономерности влияния режимов виброплазменной обработки на твердость материала, износостойкость и ресурс работы рабочих органов почвообрабатывающих машин.

Методология и методы исследований. В процессе выполнения работы осуществлялся системный подход к исследованию, учитывались работы ведущих ученых по изучаемой проблеме. Экспериментальные исследования проводили с использованием известных современных приборов и оборудования, частично, в связи с отсутствием широкой исследовательской базы, с привлечением специалистов других научно-исследовательских учреждений.

Научная новизна:

- предложены три модели влияния параметров виброплазмы на качество формирования износостойких покрытии на обрабатываемых поверхностях;

- установлено, что виброплазменная обработка заводских рабочих органов почвообрабатывающих машин позволяет повысить твердость, износостойкость и ресурс их работы более четырех раз;

- установлены аналитические зависимости микротвердости поверхностного слоя материала от режима виброплазменной обработки. Данные зависимости являются регрессионными и имеют несколько порядков;

- на основе результатов исследований физико-механических свойств образцов рабочих органов почвообрабатывающих машин при их обработке виброплазменным методом разработан технологический процесс упрочнения для условий реального производства.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные аналитические зависимости процесса электроискрового упрочнения поверхностей металлических изделий и математическая модель механизма распыления

материалов в плазме вибродугового разряда позволяют рассматривать их как основу для дальнейшей разработки технологического процесса получения износостойких покрытий на обрабатываемых поверхностях.

Экспериментальные данные закономерностей влияния режимов виброплазменной обработки на такие показатели рабочих органов почвообрабатывающих машин, как твердость материала, износостойкость и ресурс позволяют создавать новые технологии получения упрочняющих покрытий на различных поверхностях. Разработанный комплексный метод упрочнения поверхностей изделий электроискровым и вибродуговым разрядами является новым способом создания износостойких поверхностей.

Разработанная технология с применением электроискрового и вибродугового разрядов позволяет повысить износостойкость и ресурс рабочих органов почвообрабатывающих машин до трех и более раз. Полученные патенты Российской Федерации № 2732260 и № 2736702 являются подтверждением новизны научной работы.

Результаты исследований внедрены в производство крестьянского хозяйства «Багдаулет» Жалагашского района Кызылординской области Республики Казахстан, а также в учебный процесс Инженерно - технологического института Кызылординского университета им. Коркыт Ата Республики Казахстан и Казанского государственного аграрного университета.

Результаты исследований имеют практическую значимость, как для производства, так и для учебного процесса при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Агроинженерия», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» и «Машиностроение».

Степень достоверности результатов. Достоверность научных положений и результатов теоретических исследований заключается в совпадении полученных практических результатов с теоретическими положениями, согласованности теории с практикой и доказательствами полевых испытаний.

На защиту выносятся следующие положения:

- три модели влияния параметров виброплазмы на качество формирования износостойких покрытий на обрабатываемых поверхностях;

- результаты лабораторных и эксплуатационных исследований по влиянию режимов виброплазменной обработки на выбранные показатели качества поверхности (твердость, износостойкость, ресурс) пахотных элементов почвообрабатывающих машин;

- зависимости микротвердости поверхностного слоя стали 65Г от режима виброплазменной обработки;

- разработанный технологический процесс упрочнения пахотных элементов почвообрабатывающих машин при их обработке виброплазменным методом.

Апробация результатов исследования. Положения диссертационной работы заслушивались на заседаниях кафедр «Технический сервис» и «Эксплуатация и ремонт машин» Казанского государственного аграрного университета в период с 2016 по 2020 г.г. и докладывались на всероссийских и международных научно-технических конференциях, проводимых в Казанском ГАУ (г. Казань, 2016 - 2020 г.г.), ФНАЦ ВИМ (г. Москва, 2019 - 2023 г. г.), КФУ (г. Казань, 2019 - 2023 г.г.), Казанском национально-исследовательском техническом университете имени А.Н. Туполева, (г. Казань, 2023 г.) и Кызылординском университете им. Коркыт Ата (г. Кызылорда, Республика Казахстан, 2023 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, из них 2 патента, 4 работы опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК при Министерстве образования и науки РФ, и 4 работы в журналах Международной базы данных Scopus и Web of Science.

Вклад автора в проведенные исследования. Личный вклад автора диссертации заключается в следующем:

Автором сформулирована цель работы, определены объект и предмет исследований, поставлена задачи исследований, выбрана модель процесса обработки поверхности деталей с применением вибрационного электроискрового и вибродугового методов. Основные экспериментальные работы проведены

лично, разработаны методики проведения экспериментальных исследований, проведена обработка экспериментальных данных, апробированы результаты исследований. Автор с привлечением специалистов удачно использовал высокоточное исследовательское оборудование для определения параметров упрочненных поверхностей образцов. Научная новизна основных результатов исследований принадлежит автору.

Структура диссертационной работы - введение, пять разделов, основные выводы, список литературы, приложения. Объем работы - 149 страниц машинописного текста, 9 таблиц, 56 рисунков, 112 наименований ссылок.

1 ТЕКУЩАЯ СИТУАЦИЯ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Проанализировать условия работы почвообрабатывающих машин и

причины их низкого ресурса

Для обработки почвы в сельскохозяйственном производстве используется множество культиваторов, плугов и борон. Их рабочие органы включают стрельчатые лапы, лемеха плуга, зубья и диски борон, диски сошника. В результате прямого контакта с абразивными частицами во время работы рабочие органы подвергаются сильному износу. В результате качество полевых работ резко ухудшаются.

Сегодня, например, качество лемехов плуга еще ниже, и это усугубляется тем, что они и другие рабочие механизмы культиваторов производятся на предприятиях, которые ранее не занимались этой сферой. В результате они имеют очень низкую износостойкость и требуют замены несколько раз за сезон вспашки.

Культиваторы в основном используются для междурядной обработки почвы и вспашки питомников, а основным рабочим органом являются лапы культиватора [18]. Их потребление в стране велико из-за нехватки ресурсов. На рисунке 1.1 представлена схема стрельчатой лапы. Размеры лап определяются углами раствора 2у и развала в, рабочей шириной и шириной крыльев в начальной точке в1 и конечной точке в2. Угол у должен обеспечивать скользящее срезание сорняков и скольжение срезаемого сорняка по лезвию без остановки. Если эти условия изменятся, лезвие будет немедленно окружено. В результате трения несрезанные стебли и корни сорняков останутся на лезвии лапы, а рабочая часть лапы будет отрываться от почвы, что приведет к некачественному срезу сорняков [18]. На прореживание почвы большое влияние оказывает угол развала р. В зависимости от величины угла развала культиваторные лапы можно разделить на два типа: плоскорезные р = 12-18° и общего назначения р = 25-30°. Толщину материала верхушки зубьев культиватора 5 определяют с учетом ширины крыльев, физико-механических свойств материала, ширины захвата, характеристик почвы и глубины обработки.

1 - носовая часть культиваторной лапы, 2 - крыло, 3 - хвостовик Рисунок 1.1 - Схема стрельчатой лапы

Для изготовления лап культиватора используется сталь Ст. 65Г (Табл. 1.1 и 1.2). Для придания зубьям самозатачивающейся формы на основной металл за лезвием был нанесен слой сормайта толщиной 0,3-0,5 мм. Основными элементами сплава сормайта являются хром, углерод, никель и кремний. Двухслойные лезвия подвержены самоизнашиванию из-за быстрого износа основного металла [41, 72]. На рисунке 1.2 показаны действующие силы Я2Х лапы культиватора, влияющие в процессе работы. Вертикальная составляющая Я2 действует при копании культиватора, а горизонтальная ЯХ - при этом создает тяговое сопротивление [51]. Глубинный ход лапы культиватора зависит от угла заднего среза (Рис. 1.3). Его стабильность обеспечивается при угле в >10. На износ лапы культиватора сильно влияет влажность почвы, и хотя влажность почвы меняется несколько раз в течение сезона, чем ниже влажность, тем больше износ верхней части лезвия. При вспашке рыхлых почв с высоким содержанием влаги верхняя часть отвала изнашивается медленнее из-за снижения интенсивности износа.

Таблица 1.1 - Состав стали Ст. 65Г

Сталь Состав, %

Кремний Хром Углерод Марганец Железо

65Г 0,27 <0,25 0,66 1,1 остальное

Таблица 1.2 - Физико-механические свойства стали 65Г

Группа стали Марка материала Режимы термобработки Физико-механические свойства

Относительное удлинение образца при разрыве, % Относительное сужение сечения, % Предел прочности при растяжении, МПа Предел текучести, МПа Твердость

Закалочная среда Температура закалки, °С Температура отпуска, °С

Марганцовистая 65Г масло 190... 830 530...600 8 34 880... 1030 680 НЯС44.. НЯС54

450...480

V

Рисунок 1.2

- Реакция почвы на лезвие стрельчатой лапы

— Е

Рисунок 1.3 - Изменение формы монометаллического лезвия культиваторной лапы в результате формирования фаски задней части

На рисунке 1.4 показана динамика линейного износа серийных стрельчатых лап. Больше всего изнашивается кончик лезвия. Когда износ носка достигает 30 мм, начинают изнашиваться кронштейны и крепления. Поэтому эта величина износа считается предельным состоянием износа носка.

е 32

г

I 24 &

К

я)

3 16

о

X и

о

3 8

/

10 15 20 25 30 Наработка, га

Рисунок 1.4 - Динамика линейного износа серийных стрельчатых лап: 1 - Износ

носка; 2 - Износ крыльев

Лезвие лапы имеет свойство самозатачивания. На рис. 1.5 показана схема самозатачивания. Нормальное самозатачивание (а на рис. 1.5) после определенного количества гектаров работы ножи имеют внешнюю форму а¡, Ь1у

С\. Чрезмерный самоизнос лезвия лапы происходит на стрельчатых лапах, у которых толщина подстилающего слоя завышена (рис. 1.5, б).

Рисунок 1.5 - Характер износа биметаллического лезвия стрельчатой лапы

Верхний слой изнашивается быстрее, чем нижний, что приводит к увеличению длины консолей нижнего слоя. Наплавка нижнего слоя лезвия выступает вперед, а хрупкий и твердый нижний слой раскалывается и скалывается. В результате пильный диск ломается. Это увеличивает линейный износ. Самозатачивание может не происходить при уменьшении толщины плакировки (рис. 1.5, в). В этом случае увеличивается высота пропила И, что влияет на стабильность глубины хода.

Регулирование самозатачивания полотна при нижней закалке зависит от условий работы (скорость машины, зерновой состав, твердость, влажность почвы и качество камня). Таким образом, износ лезвия лапы может сопровождаться как чрезмерной самозаточкой, так и нормальной самозаточкой или даже ее отсутствием при различных условиях эксплуатации. Перекрытие второго ряда лезвия с первым рядом лезвия составляет 10....15 мм. Это означает, что предел износа режущих кромок составляет 10 мм....15 мм. При большем износе режущих кромок лезвии лапы сорняки будут срезаться менее эффективно. При избыточной и нормальной самозаточке острота рабочего инструмента зависит от толщины арматуры, причем радиус галтели такой самозаточки равен половине толщины арматуры. Анализ показал, что факторами влияющими на износ являются: гранулометрический состав почвы, плотность почвы и физико-механические свойства материала лезвии лапы. Основной вывод анализа условий работы почвообрабатывающих машин и причин их низкого ресурса:

а

Работоспособность лап культиватора зависит от степени износа и остроты лап. Поэтому при ремонте и изготовлении почвообрабатывающих лап необходимо повышать твердость и износостойкость их носка и лезвий.

1.2 Анализ методов упрочнения пахотных рабочих органов

Проблеме восстановления и увеличения ресурсов пахотных орудий посвящено большое количество исследований, часть из которых непосредственно связана с пахотными орудиями. Большинство этих исследований выполнено под руководством академиков Чернованова В.И., Лялякина В.П., Денисова В.А., Аулова В.Ф. и Литовченко Н.Н., Косенко А., Логачева В.Н., группы ученых Башкирского государственного университета Фархшатова М.Н., Неграгова А.В., Баширов Р.М., Сайфуллин Р.Н., а также отдельные ученые Мазитов Н.К., Горячкин В.П., Пучин Е.А., Сайфуллин Р.Н., Пучин Е.А., Руденко Н.Е., Синеоков Г.Н, Севернев М.М., Ткачев В.Н., Тененбаум М.М. и др.

Специальные проблемы повышения долговечности зубьев ивовых лопаток рассмотрены в работах Волошко Н.И., Лебедева М.Д., Кравченко Б.И., Савина П.И. и др. Перфиловы Михаил Евгеньевич и Олег Михайлович разработали метод ремонта лап культиватора путем намораживания металла на заготовку. Расплавленный износостойкий сплав предварительно нагревали до температуры

850.....950°C, а затем подавался в зазор между наплавленной поверхностью

заготовки и стенкой формы. Для наплавки плавлением в основном используются высокохромистые чугунные сплавы, сплавы на основе железа PR-C27, PG-FBX 62 и PG-C1. Этот метод характеризуется высокой трудоемкостью, сложностью и стоимостью. В исследованиях Макаренко А.Н. обработка поверхности проводилась с использованием газового пламени путем наплавки сормайта. Недостатком этого метода является низкая производительность.

В работе Юдникова А.С. описан метод повышения стойкости обработанных тел точечной закалкой. Суть метода заключается в дуговой точечной обработке поверхности основного металла износостойким материалом, используется порошковая проволока ПП-Нп-80Х20П3Т. В процессе эксплуатации вкладышей,

восстановленных точечной закалкой, участки основного материала с меньшей износостойкостью изнашиваются быстрее, в изношенных местах образуются впадины. Выступы рассеиваются в зоне наплавки. В результате образуются зубчатые лезвия с различной износостойкостью.

Способ ремонта лезвий культиваторных лап описан в работах Буйлова В.Н. и Люлюкова И.В. Согласно этому способу, изношенную часть лезвии путем сварки заменяют на стальной профильный лист. Недостаток этого метода: техническая сложность операций и низкая экономическая эффективность[31]. Наиболее эффективным методом продления ресурса работы культиваторных лап является плазменная технология нанесения металлокерамических композиционных материалов на изношенную часть лезвии лапы с дальнейшей ее заточкой [54].

За рубежом для восстановления наконечников лопастей плуга немецкая компания INNOVELD применяет индукционную сварку наносплава ELKEFEM, включающими карбид хрома, борид хрома и карбид бора [75]. По сравнению с ручной наплавкой электродом производительность увеличивается в 8-10 раз. Для индукционной сварки лезвий отвала одного плуга требуется 1,5...2,0 мин. Преимущество заключается в том, что монтажные работы не оказывают вредного светового и шумового воздействия. Блок непрерывной работы обслуживается одним человеком, в задачу которого входит установка компонентов в установку и контроль за непрерывной работой установки.

1.3 Методы упрочнения поверхностей изделий концентрированным потоком энергии. Энергетический поток. Преимущества и недостатки

Согласно исследованиям ученых и практиков, после ремонта целесообразно повторно использовать более 75 % изношенных деталей [29, 36, 50]. В настоящее время наиболее эффективными методами подготовки поверхности являются

методы, основанные на точечном воздействии на поверхность детали

2 2

концентрированным потоком энергии с удельной мощностью 10 Вт/мм и более. Под концентрированным потоком энергии (КПЭ) понимаются средства,

используемые для приложения теплового удара к материалам в таких технических операциях, как сварка, термообработка, резка, скрайбирование, определение размеров, маркировка, термическое напыление и обработка поверхности. К таким средствам относятся газовое пламя, низкотемпературные плазменные струйные разряды, электрические дуги, электронные пучки, световые пучки, пучки электронов и потоки ионов [7-13]. Существует также понятие источников КПЭ. К ним относятся лазеры, плазмотроны и электронно-лучевые устройства. Температура пламени, плазмы или дуги, площадь нагрева и удельная мощность точечной энергии для различных источников тепловой энергии не одинаковы, особенно в отношении удельной мощности точечной энергии. Поэтому, в зависимости от поставленной будут выбран тот или иной термический источник энергии. Что касается нашей работы, то с учетом исключения перегрева обрабатываемой поверхности и минимальной стоимости оборудования для упрочнения деталей наиболее подходящими являются электрическая искра и вибрационная дуга.

1.4 Выводы по разделу 1, цель и задачи исследований

1. Анализ способов упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин показал, что основные исследования проводились без учета влияния морфологии, структуры и фазового состава обработанного слоя поверхности на ее физико-механические свойства.

2. Анализ параметров энергетических характеристик термических источников энергии показывает, что для упрочнения деталей сельскохозяйственных машин наиболее подходящими являются электрическая искра и вибрационная дуга.

Исходя из этого, для диссертационной работы поставлена следующая цель -повышение износостойкости и ресурса рабочих органов почвообрабатывающих машин методам виброплазменной (электроискровой и вибродуговой) обработки.

Задачами диссертации являются:

- провести анализ условий работы пахотных элементов почвообрабатывающих машин и способов их упрочнения. На основе этого анализа определить направление экспериментальных исследований в работе;

- теоретическое обоснование формирования износостойких покрытий на обрабатываемых поверхностях в зависимости от параметров виброплазмы;

- провести экспериментальные работы по влиянию режимов электроискровой и вибродуговой обработки поверхностей на износостойкость, твердость и ресурс работы пахотных элементов почвообрабатывающих машин;

- разработать технологический процесс упрочнения поверхностей пахотных элементов почвообрабатывающих машин методами электроискровой и вибродуговой обработки, а также устройство для электроискрового вибрационного легирования металлов и установку для сравнительных испытаний пахотных элементов почвообрабатывающих машин на ресурс;

- оценить экономическую эффективность разработанного технологического процесса упрочнения поверхностей пахотных элементов почвообрабатывающих машин электроискровым методом.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНО-ПЛАЗМЕННЫХ МЕТОДОВ УПРОЧНЕНИЯ

ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ

2.1 Общие сведения

Анализ отечественной и зарубежной литературы по ЭИО и вибродуговой обработке материалов показывает, что они берут свое начало от электроэрозионной обработки [1, 18, 51, 54, 57, 75, 80]. Явление эрозии металлов под действием электрического тока впервые описал английский ученый Дж. Пристли в конце 18 века. ЭЭО материалов зародился в 1943 году, когда соотечественники Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко открыли практическое применение этого метода. Первоначально для ЭЭО использовались только искровые разряды, создаваемые конденсаторами в RC-цепи. Этот процесс был известен как ЭИО; в 1948 году М. М. Писаревский осуществил гальваническую обработку, основанную на использовании импульсов дугового разряда постоянного тока, - метод, известный как дуговая обработка. Во всех этих методах обработки обрабатывающим элементом являются два электрода, один из которых подвижный, а другой неподвижный. В зависимости от поставленной задачи подвижные электроды, периодически соприкасающиеся с неподвижным электродом, становятся анодом и катодом, а неподвижный электрод, представляющий собой обрабатываемое изделие, называется катодом или анодом.

Электроэрозионная обработка материалов относится к электрохимическим и электрофизическим методам обработки. Она основана на вырывании частиц материала с поверхности импульсом электрического разряда. Если на все это посмотреть с сегодняшней точки зрения, то такие технологии обработки изделий можно назвать под термином - виброплазменные технологии, а возникший разряд между электродами (анодом и катодом) - виброплазмой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Байниязова Акмарал Таскараевна, 2025 год

использования материала

Этап 1. Расчет удельной энтальпии объема газа, занимаемого пространством между электродами в единицу времени. Он производится из соотношения разности мощности, затрачиваемой на разряд, за вычетом тепловых потерь и излучения плазмы в окружающую среду в единицу времени на объем плазмообразующего газа между электродами.

Этап 2. Определение температуры Т и скорости струи и. Для этого используются уравнение сохранения энергии электронного газа и уравнения Максвелла. Также, используются уравнения неразрывности и импульса. Этап 3. Расчет температуры (дс) и скорости струи Vя (дс) на различных расстояниях от электрода (анода) с использованием уравнений, приведенных в этапе 2.

Этап 4. Выбираем состав, объем и пропорции плазмообразующего газа в межэлектродном промежутке.

Этап 5. Определяем скорость напыляемых частиц. Этап 6. Определяем температуру частиц.

Этап 7. Находим вид покрытия ВП, микротвердость, состав и толщину покрытия П.

Аналитические зависимости для этапов 3, 5 и 6 можно заимствовать из [69]. Они подходят и для нашего случая исходя из того, что в обоих вариантах рассматривается электрический разряд.

Исходя из изложенного материала, комплексное решение совокупности уравнений сохранения энергии, Максвелла, непрерывности и импульса для электронного газа в предлагаемой математической модели показывает, что структурные параметры поверхностного слоя обрабатываемых деталей можно будет получить требуемые выходные параметры в зависимости от входных. Анализ показывает, что для решения приведенной системы уравнений сначала потребуется нахождение многих переменных путем экспериментальных исследований. Практически для виброплазмы на сегодня это практически не реально исходя из малости расстояния между электродами. Для этого потребуется проведение комплексных экспериментальных исследований параметров

виброплазмы и происходящих процессов в ней. Поэтому данную модель можно считать лишь как предложение.

Модель 2. Модель процесса распыления материалов в плазме вибродугового разряда.

В данном параграфе было сказано, что состояние реальной плазмы с громадным количеством взаимодействующих частиц описать сложно и на сегодня не существует общей теоретической модели плазменной обработки поверхностей или плазменного нанесения покрытий. Однако плазменные процессы математически можно описать для частных случаев, производя лишь определенные допущения, с использованием экспериментальных данных. Многофакторность процесса при виброплазменной обработке требует упрощения математического описания процесса формирования износостойких покрытий на обрабатываемых поверхностях. Поэтому эту проблему можно решить, рассматривая отдельные этапы этого процесса. В нашей работе предлагается теоретически описать процесс распыления материалов в плазме вибродугового разряда с учетом зависимости между силой тока вибродугового разряда и температурой тела электрода.

При вибродуговом упрочнении обычно одним из электродов является деталь, которую обрабатываем (подложка), другим электродом является стержень из тугоплавкого материала, который необходимо распылять. Дуговой разряд может происходить как при прямой полярности напряжения на электродах, так и при обратной. Рассмотрим случай, когда имеем дело с электрической дугой прямой полярности, т.е. когда на стержневом электроде отрицательный потенциал. Следовательно, стержневой электрод будет являться катодом.

Эксперименты показывают, что при вибродуговой обработке стержневой электрод в районе воздействия плазмы нагревается до красноты (Это

о

соответствует температуре порядка 800 С), далее при определенном токе дуги начинается разбрызгивание частиц со стенок электрода с их осаждением на подложке в недораспыленном виде. Дальнейшее увеличение тока дуги приводит к продолжению горения вибродуги и после ее пробойного расстояния. В результате

вибродуга переходит в сварочную дугу. Это приводит к расплавлению поверхностного слоя подложки. Естественно, такой режим упрочнения материала не позволяет создавать наноструктурированный поверхностный слой на подложке из атомарных и наноразмерных частиц. Поэтому необходимо определить связь между температурой распыляемого материала и током электрической дуги. Это позволит наложить определенное ограничение на величину тока вибродуги и тем самым найти диапазон режима упрочнения по току вибродуги. Следовательно, при рассмотрении теоретических вопросов распыления электрода (в виде каких частиц, на атомарном уровне или в капельной фазе) необходимо учитывать свойства теплопроводности материала электрода. Для стержневого электрода уравнение теплопроводности будет иметь следующий вид:

(2.1)

где дг- плотность потока тепла вдоль стержня, дг - плотность потока тепла по радиусу катода, рм- удельная электропроводность металла, ]м- плотность тока в стержне катода.

Уравнение (2.1) выражает зависимость между теплопроводностью материала и величиной тока, проходящего по нему. Есть и другая формула, связывающая теплопроводность материала и температуру тела - это зависимость плотности теплового потока и градиента температуры (Закон Фурье):

(2.2)

и

Эт ср

Здесь: дт- время, в течение которого произошло изменение температуры тела; а -коэффициент температуропроводности, а = А/'ср; X - коэффициент теплопроводности; с - удельная теплоемкость материала; р - удельная плотность материала;^? оператор Лапласа в цилиндрической системе координат; £/,,-объемная плотность тепловыделения.

По определению теплового потока = и цг =

Распишем оператор Лапласа \72Т = --^-(г * ^ + \ (^ут) + и

подставим в исходные уравнения (2.1) и (2.2) в виде:

— = а(-—(V * —) + — Г—) + — Г—)) + —. (2.4)

Эт дг) г2 \дср2/ Эг \дг/ ср у у

Заметим, что левая часть уравнения (2.3) входит в правую часть уравнения (2.4). Тогда систему уравнений (2.3) и (2.4) можно представить в виде одного уравнения:

С учетом симметрии распространения теплового потока по радиусу стержня

д2Т

выражение —- равно нулю. Отсюда уравнение (2.5) представиться в виде:

Перейдем к обычной производной Тогда

или Т = О * Рм * & + рт. (2.9)

Тогда из формулы (2.9) можно определить условия лимитирования (ограничения) токового режима вибродуги для получения упрочненного слоя образца на атомарном уровне или на уровне капельной фазы. Такое покрытие может быть получено, если не доводить температуру на катоде электрода до кипения материла. Исходя из этого условия, зная теплофизические и электрофизические параметры материала электрода и диаметр электрода, можно найти ту величину тока дуги, выше которой не рекомендуется проводить обработку поверхности изделия.

Используем формулу (2.9) для определения лимитированной величины тока вибродуги для конкретно взятого электродного материала и источника питания. Пусть для нашего случая выберем меднографитовый электрод с диаметром 8 мм и

длиной 100 мм. Источник питания постоянного тока с выходным напряжением 60 В. Для рассмотренного случая необходимо найти следующие параметры:/?л„ т, а, с,\2(, р, = Мер (рм- удельная электропроводность графита; ; т- время, в течение которого произошло изменение температуры тела; а - коэффициент температуропроводности; а = Хер; X - коэффициент теплопроводности; с -удельная теплоемкость материала; р - удельная плотность материала;^? оператор Лапласа в цилиндрической системе координат;^- объемная плотность тепловыделения). В нашем случае электрод движется со скоростью 0,2 м/с и вибродуга горит на длине 0,12 мм. Тогда время горения дуги т в пределах одного цикла вибродуги составит 600 мкс.

Попытка провести расчеты для данной модели показала, что некоторые из вышеприведенных параметров сильно зависят от температуры, разница иногда для температур 3000 - 4000 градусов доходит до нескольких порядков. Такими параметрами являются: рм- удельная электропроводность, а - коэффициент температуропроводности, X - коэффициент теплопроводности,с - удельная теплоемкость материала. Однако для этих параметров количественных данных для температур 3000 - 4000 градусов не имеется. Поэтому рассматриваемую модель на сегодняшнем уровне познания использовать не удастся. Кроме того, в данной модели есть параметр - объемная плотность тепловыделения. Только в данной технологии виброплазма на электрод оказывает не объемное, а лишь поверхностное воздействие. Следовательно, в рассматриваемой модели надо будет учитывать не объемную плотность тепловыделения, а поверхностную плотность тепловыделения. Тогда и параметр ду будет иметь другое значение. МодельЗ. Модель процесса эрозии электродов в плазме вибродугового разряда

При воздействии плазменного потока на катод происходит эрозия его поверхности. Эрозированные частицы, образующиеся в результате этого процесса, начинают двигаться под действием различных сил. Во-первых, эрозированные частицы подвергаются действию термической агрессии плазменного потока, что приводит к их нагреву и возможному испарению. Это

создает направленное движение частиц от катода в сторону потока. Во-вторых, эрозированные частицы могут быть также подвержены электрическим силам в плазме. Например, при наличии электрического поля в плазменном потоке возникает электрическая тяга, которая может ускорять эрозированные частицы и направлять их в определенном направлении. Таким образом, движение эрозированных частиц катода в плазменном потоке определяется как термическими, так и электрическими факторами. Это движение является важным аспектом при проектировании и эксплуатации плазменных систем, так как оно может влиять на эффективность и долговечность катода. В дуговом разряде эмиссия электронов происходит непрерывно с макроскопических участков катода в результате действия высокой температуры (термоэлектронная эмиссия) и сильного электрического поля у поверхности катода (автоэлектронная эмиссия).

При вибродуговом упрочнении обычно одним из электродов является деталь, которую обрабатываем (подложка), другим электродом является стержень из тугоплавкого материала, который необходимо распылять. Дуговой разряд может происходить как при прямой полярности напряжения на электродах, так и при обратной. Рассмотрим случай, когда имеем дело с электрической дугой прямой полярности, т.е. когда на стержневом электроде отрицательный потенциал. Следовательно, стержневой электрод будет являться катодом.

Эксперименты показывают, что при вибродуговой обработке стержневой электрод в районе воздействия плазмы нагревается до красноты (Это

о

соответствует температуре порядка 800 С), далее при определенном токе дуги начинается разбрызгивание частиц со стенок электрода. Дальнейшее увеличение тока дуги приводит к продолжению горения вибродуги и после ее пробойного расстояния. В результате вибродуга переходит в сварочную дугу. Это приводит к расплавлению поверхностного слоя подложки (анода). При этом будет происходить и расплавление поверхностного слоя электрода-катода с кипением его материала. Естественно, такой режим упрочнения материала не позволяет создавать наноструктурированный поверхностный слой на подложке из атомарных и наноразмерных частиц. Поэтому необходимо определить связь

между температурой распыляемого материала и током электрической дуги. Это позволит наложить определенное ограничение на величину тока вибродуги и тем самым найти диапазон режима упрочнения по току вибродуги. Следовательно, при рассмотрении теоретических вопросов распыления электрода (в виде каких частиц, на атомарном уровне или в капельной фазе) необходимо учитывать свойства теплопроводности материала электрода.

Существует множество гипотез и теорий о механизмах эмиссии на поверхности катода, которые сводятся к четырем основным механизмам эмиссии. Это термоэлектрическая эмиссия, автоэлектронная эмиссия, ударная эмиссия и фотоэмиссия. Эмиссия горячих электронов обусловлена способностью нагретой металлической поверхности испускать электроны. Этот процесс происходит, когда скорость тепловой кинетической энергии электронов проводимости, направленная перпендикулярно излучающей поверхности, достигает значения, удовлетворяющего следующему условию:

|лТ>вЛ, (2.10)

где е - заряд электрона (1,6-10~19 Кл);<рэ- энергия выхода электрона, эВ; Т -

0 23

температура, К; к - постоянная Больцмана (к = 1,38 • 10 Дж/К).

Плотность потока эмиссии горячих электронов может быть рассчитана по формуле Ричардсона-Дэшмана [40]:

3 = АТ ^ (2.11)

где у - плотность тока эмиссии, А/см ;А - коэффициент, для всех металлов равный

2 0 120,4 А/см ; Т - температура, К; <рэ - энергия выхода электрона.

Из уравнения (2.11) следует, что при температуре катода Т = 3500 - 4500 0К интенсивность эмиссии электронов позволяет обеспечить плотность тока порядка

л

1000 А/см . С понижением температуры плотность тока эмиссии быстро уменьшается, и при температуре 3000 0К выход электронов фе = 4,18 эВ ^е) уже не превышает 50 А/см2. Таким образом, для катодов из металлов с температурами кипения выше 3500 0К существует горячеэлектронный механизм прохождения тока через границу катод-газ. Такими металлами являются вольфрам, осмий,

молибден, платина и графит. Для низкотемпературных металлов (например, температура кипения железа составляет 3271 0К, а меди - 3133 0К) этот механизм эмиссии не подходит, поскольку они не достигают температур, необходимых для эмиссии за счет испарения.

В связи с этим катоды можно разделить на высокотемпературные (где эмиссия полностью возможна) и низкотемпературные (где скорость эмиссии очень низкая) в зависимости от их способности генерировать необходимую плотность тока за счет эмиссии горячих электронов. Теория эмиссии горячих электронов годится для процессов, происходящих на поверхности высокотемпературного катода.

Во время автоэмиссии удаление электронов с поверхности катода происходит за счет энергии от приложенного электрического поля. При этом плотность тока самоэмиссии электронов может быть определена по уравнению Фаулера-Нордгейма:

2

Ь<!>1

3 = уЕ2е~ е , (2.12)

где ) - плотность тока эмиссии, А/мм ;у, Ь - константы, зависящие от материала катода; Е- напряженность приложенного электрического поля, В/мм.

При ударной эмиссии, когда положительно заряженный ион ударяется о поверхность катода, вылет электронов описывается следующим уравнением:

где е ■ £/нон- работа ионизации положительного иона;"^1- кинетическая энергия

положительного иона;—-—- кинетическая энергия эмитированного электрона; <р3 -

энергия выхода электрона.

Для фотоэлектронной эмиссии энергия, достаточная для того, чтобы

электроны покинули электрод, может быть определена из следующего соотношения:

И-у>е<рэ, (2.14)

где И - постоянная Планка; V - частота колебаний электромагнитных излучений в секунду; е - заряд электрона, Кл.

Фотоэлектронная эмиссия от дуги имеет второстепенное значение. Она мала и эмиссия вызвана только поглощением короткого ультрафиолетового излучения.

Теоретическое рассмотрение процессов, происходящих в прикатодной области вибродугового разряда, показывает, что для рассмотрения нашей задачи по получению качественного упрочненного поверхностного слоя детали нас интересует процесс термоэлектронной эмиссии. Остальные 3 вида эмиссии: автоэлектронная, ударная и фотоэлектронная играют менее существенную роль в процессе эмиссии электронов с поверхности катода из тугоплавких материалов, нежели термоэлектронная эмиссия.

Автоэлектронная эмиссия при катодных процессах более выражена в электродных материалах с более низкой температурой кипения, а эмиссия электронов за счет ударной эмиссии (удара тяжелых частиц) выражена только в дуговом разряде в режиме сварки, тогда как фотоэлектронная эмиссия при дуговом разряде имеет второстепенное значение. Фотоэлектронная эмиссия невелика, поскольку эмиссия обусловлена только поглощением короткого ультрафиолетового излучения, что связано с высокой работой выхода обычных промышленных металлов. Следовательно, при использовании в качестве материала электрода тугоплавких сплавов осуществление эмиссии электронов с поверхности катода происходит за счет термического воздействия плазмы. Остальные механизмы осуществления эмиссии: термоэлектронная, автоэлектронная, ударная и фотоэлектронная практически не будут участвовать в процессе вырывания электронов с поверхности катода. При этом температура нагрева поверхности катода будет соответствовать условию (2.10.) Тогда плотность тока термоэлектронной эмиссии будет определяться только формулой (2.11).

Произведем расчет допустимых токов вибродуги для меднографитового электрода. Анализ формулы (2.11) показывает, что плотность тока в вибродуговом разряде для получения качественного упрочненного

поверхностного слоя детали с покрытием на атомарном уровне, или хотя бы с частичной капельной фазой, не должна нагревать поверхность катода до температур порядка Т = 3500 - 4500 0К. Эта температура для выполнения наших условий должна быть порядка 3000 - 3500 0К. Для таких температур плотность тока в вибродуговом разряде согласно формуле (4.2) должна быть порядка 50 - 60 А/см2 при работе выхода электронов <рэ = 4,2 - 4,7 эВ (железо, вольфрам, графит). Тогда для меднографитового электрода диаметром 8,0 мм, который использован в наших исследованиях, ток вибродуги для получения качественного упрочненного поверхностного слоя детали должен быть на уровне 30 А. Действительно, при больших токах, например, при токах порядка 60 А в фазовом составе упрочненного слоя появляется множество недораспыленных частиц электродного материала. При токах более 70 А вибродуга переходит на сварочную дугу. Есть и другой способ технологического процесса распыления. Это охлаждение электродов. По этому вопросу в литературе имеются некоторые данные по теплоотводу, в частности путем водной среды. Однако они чисто на экспериментальном уровне.

Проведенные расчеты позволяют утверждать следующее:

1. Для получения качественного упрочненного поверхностного слоя детали с покрытием на атомарном уровне, или хотя бы с частичной капельной фазой, при обработке вибродугой с меднографитовым электродом диаметром 8,0 мм ток вибродуги должен быть порядка 30 А.

2. При токах вибродуги порядка 60 А для меднографитового электрода диаметром 8,0 мм в покрытии упрочненного слоя детали появляется множество недораспыленных частиц электродного материала.

3. При токах вибродуги более 70А для меднографитового электрода диаметром 8,0 мм вибродуга переходит на сварочную дугу.

4. Есть и другой способ технологического процесса распыления. Это охлаждение электродов или использование электродов с большим диаметром стержня. По этому вопросу в литературе имеются некоторые данные по теплоотводу, в частности путем водной среды. Однако они чисто на экспериментальном уровне.

2.5 Продолжительность горения электрической искры в межэлектродном

пространстве

Разряд - это процесс протекания тока, связанный со значительным увеличением проводимости среды относительно ее нормального состояния. Электропроводимость среды создается при наличии электрического поля между двумя электродами, имеющими определенную разность потенциалов. При определенной напряженности поля между электродами может возникнуть, так называемый, искровой пробой газа [70, 71]. Дело в том, что в газе всегда есть некоторое количество случайно образовавшихся ионов и электронов. Однако их число обычно невелико, и газ практически не проводит электричество. При изучении несамостоятельной проводимости газов приходится сталкиваться с относительно малыми значениями напряженности поля, и столкновения между движущимися в напряженности поля ионами происходят так же, как и столкновения упругих шариков. Ионы, при каждом столкновении, передают часть своей кинетической энергии неподвижной частице, и после столкновения обе ионы разлетаются, но внутреннее пространство обеих частиц остается неизменным. Однако если напряженность электрического поля достаточно велика, то накопленная ионами кинетическая энергия ионизируют нейтральные молекулы во время столкновения. В результате образуются новые ионы. Далее происходит лавинообразный процесс, называемым ударной ионизацией. Электроны и ионы, образующиеся под действием ударной ионизации, увеличивают количество зарядов в газе и перемещаются под действием электрического поля, что приводит к ударной ионизации новых атомов. В результате процесс «усиливается», и ионизация в газе вскоре достигает очень больших значений. Все это явление очень похоже на лавину, когда достаточно маленькой снежинки, чтобы стать источником лавины. Образование ионной лавины - это процесс пробоя искровой среды. Минимальное напряжение, при котором происходит образование ионной лавины, называется напряжением пробоя. Ионизация газов в искровых разрядах может быть обусловлена разрушением атомов и молекул при столкновениях с ионами.

При однородном электрическом поле электрическая прочность (напряжение пробоя) диэлектрика определяется следующим уравнением.

Епр=^,кВ/м, (2.15)

где d - толщина диэлектрика в месте пробоя, м [47].

В газе наблюдался только электрический пробой. В газообразном диэлектрике определенное количество свободных ионов и электронов начинает двигаться к аноду под воздействием поля. При столкновении электрона с молекулой, часть его энергии передается молекуле. Молекула, перешедшая в возбужденное состояние, излучает энергию в виде фотона. Фотоны ионизируют другие молекулы. Происходит фотоионизация, приводящие появлению каналов (стримеры) с повышенной проводимостью. В результате стример становится каналом проникновения плазмы газового разряда. Фактически возникает электрическая линия без сопротивления, приводящая к протеканию тока короткого замыкания 1кз. На рис. 2.2 показана диаграмма, описывающая возникновение электрического пробоя. Традиционно лавины отображаются в виде заштрихованных конусов, а траектории фотонов - в виде волнистых линий. Начало волнистой линии начинается с атома, который возбуждается под воздействием электронов и испускает фотоны.

Рисунок 2.2 - Принципиальная схема формирования электронной лавины и электроотрицательного стримера при пробое газа

Образуется канал плазменного разряда (рис. 1). 2.3) На самом деле это разложение газа. Возникновение 1кз является результатом пробоя. В зависимости от величины тока пробоя неисправность возникает в виде искры или дуги.

Рисунок 2.3 - Схема формирования плазменного канала газового разряда

Коронный разряд или корона возникает в газах (воздухе) перед пробоем в неоднородном магнитном поле, который является неполным пробоем. Коронные разряды возникают при напряжениях ниже ипр (и<ипр), вблизи электродов с малым радиусом кривизны, на острых металлических кромках и т.п. и проявляются в виде прерывистого голубого света, сопровождаемого характерным звуком (гудением или треском). При более высоком напряжении коронные разряды преобразуются в искровые или, если мощность источника напряжения достаточно высока, в дуговые разряды.

Стержневой электрод создает резкое и неравномерное электрическое поле, причем ипр газов минимизируется у положительного полюса стержня и максимизируется у отрицательного (рис. 2.4). Это можно объяснить следующим образом. Как упоминалось выше, коронный разряд происходит до разрушения воздушного промежутка. Электроны, образующиеся при этом, обладают большей подвижностью, чем положительные ионы (примерно в 1000 раз), и быстро покидают коронный слой, демонстрируя большой положительный заряд. Образование большого положительного заряда вблизи кончика электрода по-разному влияет на напряжение воздушного зазора. Если на стержневом электроде существует положительный потенциал, большой положительный заряд увеличивает напряженность поля во внешней области короны и пробой происходит при низких значениях ипр.

^пр.мякс кВ

120 1 ±\

V /

80

40 /V 1—

г +

О 4 8 И, см

Рисунок 2.4 - Напряжение пробоя воздуха ипр в зависимости от расстояния между электродами к (неоднородное электрическое поле)

Если на стержне имеется отрицательный потенциал, объемный положительный заряд уменьшает напряженность поля во внешней области короны, и пробой воздушного промежутка происходит при более высоких значениях ипр. Чем меньше длительность импульса (чем выше частота напряжения), тем меньше разница в значениях ипр, обусловленная полярностью стержня. В неоднородном магнитном поле значение ипр значительно ниже для высокочастотного пробоя газа (в отличие от пробоя в однородном магнитном поле).

Были проведены теоретические расчеты по определению продолжительности горения электрической искры в межэлектродном пространстве. Это необходимо было знать для того, чтобы выяснить до какого момента будет горение электрической искры, до соприкосновения электрода с подложкой или она будет гореть и после соприкосновения электрода. Для этого, вначале потребовалось определение расстояния от электрода, на котором происходит пробой межэлектродного пространства. Этот вопрос можно решить с использованием, так называемого, закона Пашена или графиков зависимости пробивного напряжения от расстояния между электродами. В нашем случае

использовали закон Пашена. Он пишется следующим образом:

)

и =

ЫрЮ+ь'

(2.16)

где и - напряжение пробоя в вольтах; р - давление, атм.^ - расстояние между электродами, м; а и Ь - постоянные величины, зависящие от состава газа. Для воздуха при атмосферном давлении а = 43,6 106, Ь = 12,8.

Согласно закону Пашена в однородном поле при атмосферном давлении электрическая прочность воздуха для плоских электродов составляет 30 кВ/см. В нашем случае напряжение между электродами равно 60 В. Из литературных источников известно, что при малых напряжениях для стержневых электродов зависимость пробойного напряжения от расстояния между электродами может быть линейной. Тогда для нашего случая пробой напряжения при 60 В произойдет при расстоянии между электродами порядка 0,02 мм.

Сейчас рассмотрим продолжительность горения электрической искры и пройденный путь электрода за это время. У существующих на сегодня электроискровых устройств диапазон емкостей накопительных конденсаторов лежит в пределах от 10 до 2000 мкФ. Разрядная цепь емкостей накопительных конденсаторов включает в себя разрядный промежуток (электрическая искра) и соединительные провода, т.е. имеем, так называемую, RC-цепь. Величину т = ЯС называют постоянной времени данного контура. Она равна времени, через которое напряжение на конденсаторе уменьшится в е раз. В реалии полный разряд емкости происходит за время равное 3 т. Произведем расчет для нашего случая. Сопротивление разрядного промежутка можно не учитывать из-за его малости. Соединительные провода будут составлять примерно общую длину порядка 1,5 м, сечение проводов выбирается исходя из возможности исключения перегрева проводов при длительной работе электроискровой установки. Для нашего случая оптимальным сечением проводов будет 2,5 мм2. Провод в таких случаях принято выбирать медным. Удельное электрическое сопротивление меди равно 1,7*10-8

Ом*м. Тогда по общеизвестной формуле Н = производим подсчет

л

сопротивления ЯС-цепи, R = 1*10- Ом. Подсчитаем время полного разряда максимальной емкости 2000 мкФ (при меньших емкостях продолжительность

разряда конденсатора будет еще быстрее), tp = 3т = 3*1*10-2*2*10-3 = 6*10-5 с = 60 мкс.0

Произведем расчет средней скорости движения электрода вибратора по формуле [70, 71].

где h - амплитуда колебаний электрода вибратора, м; Т - период колебаний, зависящий от частоты питающего напряжения Т = — . Для нашего случая при

частоте сети 50 Гц период колебаний электрода равен Т = 1*10-2 с, тогда средняя скорость движения электрода вибратора равна V = 0.2 м/с.

Найдем для нашего случая максимальную величину межэлектродного расстояния, на котором будет горение электрической искры, ^скры = У*р = 12*10-3 мм = 0,012 мм 0,01 мм.

Для реально существующих электроискровых установок по легированию (обработки) металлических изделий:

- пробой межэлектродного промежутка начинается на расстоянии от подложки порядка 0,02 мм;

- амплитуда колебаний электрода вибратора составляет порядка 1,0 мм;

- длительность электрической искры составляет не более 60 мкс;

- средняя скорость движения электрода вибратора порядка 0,2 м/с;

- максимальная величина межэлектродного расстояния, на котором будет горение электрической искры, составляет порядка 0,01 мм.

Электрическая искра для реально существующих электроискровых установок по легированию (обработке) металлических изделий гаснет до соприкосновения электрода (анода) поверхности подложки (катода).

Технологические операции вибродуговой обработки, также как и электроискровой, состоят из пяти циклов: разряд, короткое замыкание, отвод электрода от заготовки и холостой ход. При вибрационно дуговом методе электрический разряд между электродом и деталью от постоянного присутствия

напряженности электрического поля между электродами будет гореть до момента короткого замыкания, но затем снова зажжется при отрыве электрода от поверхности детали, и частично будет гореть при холостом ходе электрода. При этом горение электрического разряда будет продолжаться до уменьшения напряженности электрического поля между электродами для поддержания разряда.

Если рассматривать график на рисунке 2.4 для случая электродов типа стержень-плоскость, то при малых расстояниях межэлектродного пространства зависимость линейная. В наших исследованиях вибродуговое оборудование на стержне вибратора имеет плюсовой потенциал и для большинства случаев он порядка 60 В. Отсюда следует (Рис. 2.4), что пробой межэлектродного пространства произойдет, когда межэлектродное расстояние составит порядка Ипр= 0,06 мм.

Для реально существующих вибродуговых установок по легированию (обработки) металлических изделий:

- пробой межэлектродного промежутка начинается на расстоянии от подложки порядка 0,06 мм;

- горение вибродугового разряда в пределах одного цикла вибрации электрода происходит дважды: при подходе электрода к поверхности детали и при отрыве электрода от нее;

- в пределах одного цикла вибрации электрода горение вибродугового разряда происходит на длине его траектории движения порядка 0,06*2 = 0,12 мм. Длительность горения вибродуги составляет порядка 600мкс.

2.6 Выводы по разделу 2

1. Анализ методов электроискровой и вибродуговой обработки показал идентичность их технологических операций. Технологические операции электроискровой и вибродуговой обработки состоят из пяти циклов: подвод электрода к поверхности детали, электрический разряд, короткое замыкание, отрыв электрода от детали, холостой ход. Отличие состоит в продолжительности

воздействия концентрированного потока энергии на поверхность изделия. При электроискровом методе электрический разряд связан с выбросом накопленной электрической энергии при подходе электрода к поверхности детали, а при вибродуговом методе электрический разряд между электродом и деталью от постоянного присутствия напряженности электрического поля между электродами будет гореть до момента короткого замыкания и снова зажжется при отрыве электрода от поверхности детали и будет гореть до момента уменьшения напряженности электрического поля между электродами для поддержания разряда.

2. Электрическая искра и вибродуга являются технологическими инструментами. У этих инструментов есть одно общее свойство. Это наличие их рабочих элементов. Им является рабочая среда, которая называется плазмой. Плазма представляет собой ионизованную среду, состоящую из разнородных частиц: молекул, атомов, ионов и электронов. Все частицы плазмы находятся в движении и их параметры, такие как температура, концентрация, химический потенциал, гидродинамическая скорость, плотность энтропии, давление и другие термодинамические параметры, являются функциями координат и скоростей движения. Кроме того, эти параметры плазмы являются не постоянными, а зависят от пространств, координат и времени. Следовательно, состояние реальной плазмы с громадным количеством взаимодействующих частиц описать сложно и на сегодня не существует общей теоретической модели плазменной обработки поверхностей или плазменного нанесения покрытий. Однако плазменные процессы математически можно описать для частных случаев, производя лишь определенные допущения, с использованием экспериментальных данных.

3. Исследование процесса распыления материалов в плазме вибродугового разряда показало, что имеется ряд моделей по вопросам наплавки, сварки, термического упрочнения, модифицирования поверхностей металлических поверхностей с применением плазменной среды. Однако все они в той или иной степени базируются на моделях тепловых процессов на основе уравнений теплопроводности. Конкретных математических или иных моделей по связи

входных параметров высококонцентрированных энергетических установок с выходными параметрами объекта исследований (упрочненных поверхностных слоев деталей с заданными физико-механическими свойствами) не имеется. В данной работе предлагается несколько вариантов моделей упрочнения поверхностей металлических поверхностей, которые при определенных заданных условиях могут быть адекватно реализованы. На сегодня наиболее реальной является модель процесса эрозии электродов в плазме вибродугового разряда, которая установлена зависимость между силой тока вибродугового разряда и температурой материала электрода. На основе этой зависимости будет определена предельная температура нагрева электрода при вибродуговой обработке;

4. При электроискровой обработке происходит модифицирование поверхности детали с образованием упрочненных слоев и покрытий. Возникновение разряда в межэлектродном пространстве (анодом и катодом) связано с наличием в нем определенной напряженности электрического поля. При этом разность потенциалов на электродах называется напряжением пробоя. Показано, что электрическая искра для реально существующих электроискровых установок по легированию (обработке) металлических изделий гаснет до соприкосновения электрода (анода) поверхности подложки (катода). При вибродуговом методе электрический разряд между электродом и деталью от постоянного присутствия напряженности электрического поля между электродами будет гореть до момента короткого замыкания, но затем снова зажжется при отрыве электрода от поверхности детали, и частично будет гореть при холостом ходе электрода. При этом горение электрического разряда будет продолжаться до уменьшения напряженности электрического поля между электродами для поддержания разряда.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Экспериментальные установки

Для обработки поверхностей образцов изделий использовано следующее оборудование: установка вибродугового упрочнения ВДГУ-2 разработки ГОСНИТИ, устройство по патенту РФ № 2655420, устройство для электроискрового вибрационного легирования металлов собственной разработки, электроискровая установка БИГ-5 (Кишинев) и экспериментальная инверторная вибродуговая установка Казанского федерального университета. Приведем краткое описание используемых вибрационных установок для обработки поверхностей образцов изделий.

3.1.1 Установка вибродугового упрочнения ВДГУ-2

Установка вибродуговой обработки ВДГУ-2, разработана ФГБНУ ГОСНИТИ. Установка вибродуговой обработки ВДГУ-2 имеется в распоряжении кафедры «Эксплуатация и ремонт машин» Института механизации и технического сервиса Казанского ГАУ.

Машина ВДГУ-2 предназначена для упрочнения дисков, лап культиваторов, лемехов, быстроизнашивающихся деталей, технологической, строительной, горной и другой техники ручным, механизированным и автоматизированным способами в стационарных и полевых условиях.

Функциональное назначение машины: Вибрационное дуговое упрочнение наплавкой уязвимых металлокерамических стальных деталей.

Операционное назначение машины: продление срока службы деталей и увеличение времени между заточками.

Установка ВДГУ питается от напряжения питающей сети 220В, 50 Гц. Дуговой разряд происходит с частотой 100 Гц. Электромеханический ручной вибратор ГБФ-2. Электроды угольные омедненные. Рабочий ток в диапазоне от 20

до 180А. Потребляемая мощность не более 5кВт. Выходное постоянное напряжение - 30 В

Общий вид установки ВДГУ-2 (Рис. 3.1)

Рисунок 3.1 - Вибрационная установка ВДГУ-2. Общий вид

Устройство вибрации дуги работает по принципу, когда электрод повторяет цикл замыкания и размыкания на поверхности заготовки. При обработке вибрационной дугой материал электрода распыляется до атомарного или капельного состояния, потоком плазмы переносится на заготовку, за счет плазменной дуги расплавляется поверхностный слой заготовки и совместно с распыленными частицами электрода происходит образование модифицированного слоя детали.

3.1.2 Устройство для электроискрового легирования металлов по патенту

РФ № 2655420

Устройство по патенту РФ № 2655420 разработано научным руководителем Шарифуллиным С.Н. Его назначение: легирование металлических изделий любой

формы (например, режущего инструмента, пресс-форм, станков и деталей машин) методом электроискровой обработки, маркировка металлических изделий и нанесение цифровой текстовой информации. Данное устройство от аналогичных устройств для электроискрового легирования металлов отличается упрощенной конструкцией, сниженной загроможденностью, повышенной эффективностью применения по назначению, повышенной производительностью труда, увеличенным сроком службы электромеханического привода электрода, увеличенным диапазоном регулировки мощности искрового разряда, сниженными весогабаритными размерами, улучшением качества закалки, увеличением глубины закалки материала изделия, повышением производительности труда при упрочнении и маркировке металлических изделий.

Устройство под патентным номером 2655420 состоит из пяти блоков: блока питания, блока частот, блока охлаждения, блока электролитических конденсаторов и блока вибрации. Первые четыре блока размещены в малогабаритном корпусе размером 150 х 140 х 85 мм и массой менее 3,0 кг.

Вибрационный блок размещен вне корпуса и состоит из вибратора с электрододержателем и электродом. На рисунке 3.2 приведена фотография общего вида данного устройства. Устройство по патенту № 2655420 питается от электрической сети напряжением 220 В, с частотой 50 Гц. Максимальная потребляемая мощность устройства 300 Вт.

Пределы регулирования энергии электроискрового разряда устройства составляет от 0,7 до 1,4Дж. При упрочнении металлических поверхностей в большинстве случаев используются твердосплавные материалы типа ВК 6, ВК 8 и Т15К6. Использование устройства по патенту № 2655420 для упрочнения позволяет улучшить физико-механические свойства металлических поверхностей на глубину до 2 мм. При этом микротвердость поверхностного слоя можно повысить до трех раз, а микротвердость приграничной зоны обработанного слоя в 1,5 раза.

Рисунок 3.2 - Фотография общего вида устройства по патенту № 2655420

Действующий образец устройства по патенту № 2655420 собран в корпусе размером 150*140x85 мм (малогабаритный), удобен для применения его на рабочем месте одним работником, например - слесарем-инструментальщиком.

3.1.3 Электроискровая установка БИГ- 5 Полное название данной электроискровой установки - Установка для электроэрозионного нанесения металлических покрытий БИГ-5 (Рис. 3.3). Назначение установки БИГ-5 - электроэрозионная обработка (ЭЭО) деталей машин с целью повышения их износостойкости и восстановления размеров. Данная установка является основным оборудованием ГОСНИТИ по электроискровой обработке.

Питание установки БИГ-5 осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В. Потребляемая мощность - не более 0.5 кВА.

Рисунок 3.3 - Общий вид электроискровой установки БИГ-5

Масса: генератора - 14 кг; инструмента ручного (вибровозбудителя) (без кабеля), не более - 0,25 кг. Напряжение на электрододержателе инструмента ручного - не более 50 В. Частота вибратора 600 Гц. В качестве электродов для электроискровой обработки рекомендуются твердосплавные

материалы типа ВК6, ВК8, Т15К6 и др. Энергетические параметры генератора установки БИГ-5 указаны в табл.3.1.

Принцип работы установки БИГ-5 основан на эффекте электроискрового переноса материала с электрода на деталь под воздействием импульсов тока.

Таблица 3.1. Энергетические параметры генератора установки БИГ-5

Номер режима Длительнос ть импульса, мкс ,+/-20% Амплитудное значение тока импульса, А, +/-20% Энергия импульса, Дж, +/-20% Максимальное количество рабочих импульсов в сек., +/-20% (коэффициент энергии 1.0)

1 50 120 0.11 1600

2 100 120 0.22 1200

3 150 120 0.32 800

4 250 200 0.9 400

5 500 200 1.8 200

6 1000 240 4.3 100

7 2000 280 10 50

Порядок работы:

1. Присоединить к розетке генератора "ВЫХОД" вилку кабеля ручного инструмента и закрепить в электрододержателе ручного инструмента выбранный электрод.

2. Присоединить наконечник кабеля ручного инструмента к приспособлению для закрепления обрабатываемой детали.

3. Закрепить в приспособлении деталь, подлежащую обработке.

4. Установить ручку "АМПЛИТУДА" в среднее положение.

5. Подключить генератор к сети.

6. Включить установку выключателем сети генератора "СЕТЬ". При этом индикатор выключателя укажет подключение к сети.

7. Установить энергетический режим генератора при помощи кнопок выбора режима "РЕЖИМ" и кнопок выбора коэффициента энергии "КОЭФФИЦИЕНТ ЭНЕРГИИ", наблюдая установленные значения на жидкокристаллическом индикаторе, в соответствии с технологическими рекомендациями.

8. Коснуться электродом обрабатываемой поверхности детали (электрододержатель ручного инструмента начнет вибрировать, в межэлектродном промежутке начнется процесс искрообразования и переноса материала электрода на деталь).

9. Вращением ручки "АМПЛИТУДА", добиться такой минимальной амплитуды вибрации электрода, при которой не происходит залипание электрода к детали. При этом, в процессе обработки, светодиодный индикатор "ПРОЦЕСС" указывает на эффективность обработки:

- при количестве рабочих импульсов менее 30% от максимального значения светится светодиод красного цвета;

- при количестве рабочих импульсов 30...60%о от максимального значения светится светодиод желтого цвета;

- при количестве рабочих импульсов более 60% от максимального значения светится светодиод зеленого цвета.

Одновременно, эффективность обработки отображается и на жидкокристаллическом индикаторе.

10. Произвести электроискровую обработку детали в соответствии с технологическими рекомендациями.

3.1.4 Экспериментальная инверторная вибродуговая установка

Экспериментальная инверторная вибродуговая установка предназначена для упрочнения металлических поверхностей деталей различных изделий, машин и механизмов с целью повышения их износостойкости и ресурса работы.

Установка предназначена для эксплуатации в помещениях, оборудованных вытяжной вентиляцией и средствами противопожарной безопасности, а также на открытых площадках при отсутствии атмосферных осадков, прямого солнечного излучения, песка и пыли, а так же при условии, что окружающая среда не взрывоопасна, не содержит токопроводящей пыли, агрессивных газов и паров, разрушающих металлы и изоляцию.

Условия эксплуатации установки в части воздействия механических факторов внешней среды должны соответствовать требованиям ГОСТ 17516.190.

Устройство питается от источника переменного тока напряжением 220 вольт и частотой 50 Гц. Оно состоит из 3 частей: механической электрической искры, вибрирующей дуги и вибратора. Электроэрозионная часть имеет 2 режима работы: мягкий и жесткий. Традиционный инверторный сварочный аппарат работает от источника питания напряжением 220 вольт и частотой 50 Гц.

Сварочный аппарат представляет собой устройство постоянного тока с напряжением холостого хода 60 вольт. Сила тока регулируется в пределах 0-160 А. Сварочный аппарат обеспечивает стабильную работу оборудования. Сварочный аппарат обеспечивает стабильную работу оборудования.

Вибратор является электромагнитным, и электроды перемещаются по очереди. Питание 30 В от понижающего трансформатора сети напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Частота колебаний электрода вибратора составляет 100 Гц. Диапазон колебаний электрода составляет 0,5-1,0 мм. Общий вид установки приведен на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Экспериментальная инверторная вибродуговая установка

3.2 Программа исследований

Программа исследования состоит из нескольких этапов, которые совместно определяют структуру и логическую связь диссертационной работы.

Первый этап. Обзор состояния вопроса по теме диссертации.

Задачи данного этапа:

• Проанализировать условия труда и причины потери работоспособности рабочих органов на рабочем месте

• Провести анализ способов упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин;

• Изучить методы упрочнения поверхностей изделий концентрированными потоками энергии, выявить их преимущества и недостатки, выбрать оптимальные методы упрочнения по теме диссертации;

• Определить перспективы использования электроискровых и вибродуговых разрядов в упрочняющих технологиях.

В результате определена цель работы и определен круг задач для ее достижения.

Второй этап. Теоретические предпосылки исследований виброплазменных методов упрочнения поверхностей изделий.

Задачами данного этапа являются:

• Выяснение сущности методов электроискровой и вибродуговой обработки, их истоков и коренных отличий;

• Анализ физических процессов электроискрового и вибродугового упрочнения поверхностей изделий;

• Определение возможной математической модели описания процессов электроискровой или вибродуговой обработки;

• Теоретические изучение продолжительности горения электрической искры в межэлектродном пространстве;

В результате проведенных исследований показана возможность решения поставленных задач с использованием виброплазменной технологии.

На третьем этапе исследований рассмотрены экспериментальные установки, исследовательское оборудование и методика исследований, сформулированы программа и предложены варианты плана экспериментальных исследований.

Задачи третьего этапа:

• Варианты плана экспериментальных исследований

• Краткое описание экспериментальных установок и исследовательского оборудования;

• Описание методик исследования металлографических характеристик, физико-механических свойств, микроструктуры, морфологии, элементного и фазового состава поверхности и поверхностных слоев полученных функциональных наноструктурированных покрытий;

• Разработка методики сравнительных ресурсных испытаний одного из рабочих органов почвообрабатывающих машин;

В результате проведенной работы определятся экспериментальные установки и исследовательское оборудование, методы исследований физико-механических свойств обработанных изделий и методики ресурсных испытаний, обработанных образцов и обработки экспериментальных данных.

В процессе третьего этапа исследований разработаны устройство для электроискрового вибрационного легирования металлов и установка для сравнительных испытаний рабочих органов почвообрабатывающих машин, на которые получены патенты.

На четвертом этапе проведены экспериментальные исследования технологий упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин методами электроискровой и вибродуговой обработки.

Задачи четвертого этапа:

• Плазменная обработка исследуемых образцов согласно вариантам пункта запланированных экспериментов;

• Исследования обработанных образцов и обработка экспериментальных данных;

• Анализ полученных результатов.

Результаты проведенных исследований:

• Получены новые экспериментальные данные по влиянию факторов электроискровой и вибродуговой методов обработки поверхности на выбранные критерии качества рабочих органов почвообрабатывающих машин;

• Установлены зависимости микротвердости поверхностного слоя материала от режима виброплазменной обработки;

• Получены новые данные сравнительных ресурсных испытаний одного из

рабочих органов почвообрабатывающих машин.

На пятом этапе исследований рассмотрены технологические аспекты новых технологий упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин методами электроискровой обработки.

Задачи пятого этапа исследований является:

• Разработка методики определения технико-экономической эффективности применения технологий упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин методами электроискровой обработки;

• Проведение расчета экономической эффективности внедрения новой технологии упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин с применением электроискрового разряда;

• Разработка рекомендаций по упрочнению поверхности конкретных рабочих органов почвообрабатывающих машин с применением электроискрового и вибродугового разрядов.

Результаты, полученные на всех этапах исследования, опубликованы в журналах Международной базы данных Scopus и Web of Science и журналах, входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК при Министерстве науки и высшего образования РФ. Основные положения диссертационной работы докладывались на всероссийских и международных научно-технических конференциях, в том числе, проводимых в Казанском государственном аграрном университете, Федеральном научном агроинженерном центре ВИМ и Казанском (Приволжском) федеральном университете.

3.3 Методики исследований и исследовательское оборудование

Для экспериментальных исследований использовались современные приборы и оборудование. Проводились морфологические, структурные, металлографические и триботехнические исследования с применением методов оптической, электронной и рентгеновской микроскопии, спектрального и рентгенофазового анализа. Также проводились сравнительные ресурсные испытания обработанных образцов виброплазмой на специально разработанном стенде. Для исследований было использовано электрофизическое оборудование, имеющееся в распоряжении ГОСНИТИ (ныне в составе федерального научного агроинженерного центра ВИМ, г. Москва) и Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского.

Рабочими органами в наших исследованиях были выбраны диск бороны, лапа культиватора, лемех плуга и зуб бороны. Для их изготовления этих рабочих органов в культиваторах, работающих в условиях интенсивного абразивного износа, используется сталь из конструкционной рессорно-пружинной марки 65Г в соответствии с ГОСТом 14959. Для исследований из указанных рабочих органов были вырезаны образцы различных размеров.

Эксперименты по обработке поверхностей образцов проведены как с электроискровым, так и с вибродуговым разрядами. Электродом являлись омедненный графитовый пруток диаметром 8 мм, вольфрамово-кобальтовый пруток ВК6 диаметром 4 мм или спеченный твердый сплав Т15К6 в виде остроконечной пластины. Состав омедненного графитового прутка: спеченный графитовый уголь омедненный снаружи. Содержание меди 5% от общей массы. Состав вольфрамово-кобальтового прутка: карбид вольфрама WC - 94% и кобальт ^ - 6%. Твердый сплав Т15К6 состоит карбида вольфрама WC - 79 %, карбида титана TiC и кобальта ^ - 6%.

3.3.1 Методика изготовления образцов для виброплазменной обработки и исследования микроструктуры поверхностного слоя

Образцы для обработки изготовлены из диска бороны, лемеха плуга и стрельчатой лапы культиватора. В качестве образца взят и зуб бороны. Материал рабочих органов - сталь 65Г.

1. Образцы диска бороны БДМ560.6.120.46R-ST65G для бороны навесной БДМ-1,5х2Н. Диски бороны изготовлены из пружинной стали 65Г, закаленные, износоустойчивые. Размеры образцов - 40х40 мм. Толщина - 6 мм. Поверхность имеет защитное черное покрытие (скорее, лакокрасочное, растворителем не снимается). Покрытие удалено механически болгаркой (угловая шлифовальная машина) и стальной щеткой с применением электродрели.

2. Образцы стрельчатой лапы культиватора (с сармайтом) Н043.05.200-07 для КПС4К и КПС5К, предназначенных для сплошной обработки паров предпосевного рыхления и подрезания сорняков с одновременным боронованием.

Ширина захвата L=270. Размер образцов - 35х35 мм. Толщина - 6 мм. Поверхность очищена от нагара механически болгаркой и стальной щеткой с применением электрической дрели.

3. Образцы лемеха плуга. Размер образцов - 40х40 мм, Толщина - 7 мм. Лемех изготовлен из стали 65Г с твердостью 50 HRC. Обработанная поверхность образцов подчищена от нагара болгаркой (угловая шлифовальная машина) и металлической стальной щеткой с применением электродрели.

4. Зуб бороны универсальный БЗТ 1.0 00.005 (М16х2) для борон БЗСС-1.0 и БЗТС-1.0, предназначенный для поверхностного или глубокого рыхления почвы с последующим устранением сорняков.

Описание образцов изделий для обработки

Образцы из диска бороны разделены на 2 партии. Количество образцов первой партии 7 шт. под номерами 31 - 37. Размер образцов - 69х79 мм. Образцы подвергнуты электроискровой обработке на электроискровой установке БИГ-5 (Кишинев) в ФНАЦ ВИМ при разных режимах.

Образцы второй партии. Размер образца - 40х40 мм, количество - 1 шт. Образец № 38 - для обработки электрической искрой на устройстве по патенту РФ № 2655420.

Образцы из лемеха плуга. Размер образцов - 40х40 мм, количество - 4 шт. под номерами 11 - 14. Толщина - 7 мм. Лемех изготовлен из стали 65Г с твердостью 50 HRC. Обработанная поверхность образцов подчищена от нагара болгаркой (угловая шлифовальная машина) и металлической стальной щеткой с применением электродрели.

Образцы из зуба бороны. Поверхности зуба бороны подвергнуты упрочнению электроискровым разрядом на установке БИГ-5 (Кишинев) в ФНАЦ ВИМ. Поверхности подчищены от нагара болгаркой и металлической стальной щеткой с применением электродрели.

Образцы из лапы культиватора. Образцы подвергнуты обработке на экспериментальной инверторной установке Казанского федерального университета при разных режимах сварочной дуги. Размер образцов 35х35 мм,

количество - 8 шт. под номерами 61 - 68. Образец № 1 без обработки, остальные обработаны вибродугой. Обработанная поверхность подчищена от нагара болгаркой и металлической стальной щеткой с применением электродрели. Образец № 67 подвергнут дополнительному упрочнению электроискровым разрядом на установке БИГ-5 (Кишинев) в ФНАЦ ВИМ при одном из оптимальных режимов.

Режимы обработки

Образцы первой партии Размер образцов - 69х79 мм, толщина - 6 мм. Материал образцов сталь 65Г. Количество образцов - 7 шт. под номерами 31 - 37. Обработке подвергли 1/3

Л

часть поверхности образцов (16 см ). Образцы подвергнуты электроискровой обработке на электроискровой установке БИГ-5 (Кишинев) в ФНАЦ ВИМ. Частота вибратора - 600 Гц. Материал электрода - спеченный твердый сплав Т15К6 в виде остроконечной пластины (материал режущей части резцов). Средняя продолжительность времени обработки одного образца - 1 мин. Обработка в ручном режиме. Обработку производили с таким расчетом, чтобы максимально охватить всю площадь поверхности образца. Образцы нагревались порядка до 70°С. Обработанная поверхность подчищена от нагара болгаркой и металлической стальной щеткой с применением электродрели. Режимы обработки образцов и энергетические параметры установки БИГ-5 приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2. Режимы обработки образцов первой партии и энергетические параметры установки БИГ-5

Номер Режим установки БИГ-5 (энергетические параметры режимов)

образца Режим Коэффици- Амплитуд- Длитель- Частота Энергия

ент энергии ный ток, А ность импульса, мкс импульсов, Гц импульсов, Дж

31

32 1 1,0 120 50 1600 0,11

33 3 1,0 120 150 800 0,32

34 4 1,0 200 250 400 0,9

35 5 0,5 200 500 200 1,8

36 6 0,5 240 1000 100 4,3

37 7 0,5 280 2000 50 10,0

Образцы второй партии Размер образца - 40х40 мм, толщина - 6 мм, количество - 1 шт. Материал образца сталь 65Г. Образец № 38 - для обработки электрической искрой на устройстве по патенту РФ № 2655420.

Образец № 38 подвергнут электроискровой обработке на устройстве по патенту РФ № 2655420. Частота вибратора - 100 Гц. Электрод - вольфрамово-кобальтовый пруток ВК6 диаметром 4 мм. Режим установки: емкость накопительных конденсаторов - 220 мкФ, зарядное напряжение - 60 В. Энергия импульса при данных параметрах режима установки соответствует 0,4 Дж. Площадь обработки 16 см2. Средняя продолжительность времени обработки одного образца - 1 мин. Обработка ручная. Шаг движения электрода - 1,5 диаметра прутка ВК6. Для полного охвата всей площади поверхности образца обработку производили дважды. Практически нагрев образца не происходил. Нагар на поверхности не образовался.

Образцы из зуба бороны Поверхности зуба бороны подвергнуты упрочнению электроискровым разрядом на установке БИГ-5 (Кишинев) в ФНАЦ ВИМ с энергией импульса 1,8 Дж.

Образцы из лемеха плуга Размер образцов - 40х40 мм, толщина - 7 мм, количество - 4 шт. Материал образцов сталь 65Г. Образец № 11 - исходный, образец № 12 - вначале обработка производилась электрической искрой, затем дополнительно произвели вибродуговым разрядом, образец № 13 - обработка вибродуговым разрядом, образец № 14 - вначале обработка вибродуговым разрядом, затем дополнительно произвели электроискровое внедрение. Для вибродуговой обработки использовали установку ВДГУ-2 разработки ГОСНИТИ (ныне ФНАЦ ВИМ), электроискровое легирование производили на устройстве по патенту РФ № 2655420. Электроды - вольфрамокобальтовые стержни ВК6 диаметром 6 мм. При вибродуговой обработке электродами были меднографитовые прутки диаметром

8 мм. Ток вибродуги установки ВДГУ-2 составлял 60 А, энергия импульса электрической искры - 0,4 Дж.

Образцы из лапы культиватора

Образцы лапы культиватора подвергнуты обработке на экспериментальной инверторной установке Казанского федерального университета при разных режимах сварочной дуги. Размер образцов 35х35 мм, количество - 8 шт. под номерами 61 - 68. Образец № 1 без обработки, остальные обработаны вибродугой. Токи обработки для образцов: № 62 - 10 А, № 63 - 20 А, № 64 - 30 А, № 65 - 40 А, № 66 и 67 - 50, № 68 - 70 А. Электрод - меднографитовый стержень диаметром 8 мм, частота вибрации электрода - 100 Гц. Обработанная поверхность подчищена от нагара болгаркой и металлической стальной щеткой с применением электродрели. Образец № 67 подвергнут дополнительному упрочнению электроискровым разрядом на установке БИГ-5 (Кишинев) в ФНАЦ ВИМ при режиме № 5 и коэффициенте энергии 0,5 (энергия импульса 1,8 Дж). Обработанная поверхность электроискровым разрядом также подчищена от нагара болгаркой и металлической стальной щеткой с применением электродрели.

При электроискровой обработке на устройстве по патенту РФ № 2655420 происходило периодическое прилипание электрода к поверхности образца. Чтобы, исключить этот недостаток, разработано новое устройство совместно с научным руководителем. На разработанное устройство получен патент РФ № 2732260. Испытание данного устройства показало, что оно действительно обработку поверхности производит без прилипания электрода к подложке. На рисунке 3.5 приведена фотография нового устройство для электроискрового легирования.

Среди особенностей нового устройства ЭИО - защита от короткого замыкания. Новое разработанное устройство электроискрового легирования от прототипа по патенту РФ № 2655420 отличается тем, что источником питания для конденсаторных батарей служит импульсный источник питания, который может поставлять широкий диапазон дискретных суммарных емкостей с различными фиксированными значениями. Конденсаторная батарея оснащена устройством

защиты от короткого замыкания и имеет прямоугольный импульсный импульсный блок питания с частотой 500 Гц.

Рисунок 3.5 - Устройство для электроискрового легирования собственной

разработки (Патент РФ № 2732260)

Принципиальная схема нового блока электроискровой установки приведена на рисунке 3.6. Более полные сведения об установке можно получить из патента РФ № 2732260.

Рисунок 3.6 -Электрическая схема устройства для электроискрового

легирования

3.3.2 Исследовательское оборудование Для исследования использовалось электрофизическое оборудование ФНАЦ ВИМ (Москва) и Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского. Ниже приведена краткая характеристика оборудования.

Оборудование ФНАЦ ВИМ:

Микротвердость измеряли по шкале Виккерса в соответствии с ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007 на компьютерном микротвердомере КМТ-1 FNAC VIM. Кратко опишем особенности вышеуказанного прибора. Фотография микротвердомера КМТ-1 показана на рисунке 3.7.

Ф

Рис. 3.7 - Микротвердомер КМТ-1 Назначение микротвердомера - определение микротвердости различных металлов и сплавов. Результаты контроля автоматически обрабатываются и затем выводятся на компьютер.

Микроскоп OLYMPUS GX51 - это инвертированный прибор для исследований в области материаловедения. Фотография микроскопа OLYMPUS GX51 показана на рисунке 3.8. Прибор позволяет просматривать образцы в ярком поле, темном поле и просто в поляризованном свете. Переключение между различными режимами работы осуществляется с помощью удобного ползунка и рукоятки.

Рисунок 3.8 - Фотография микроскопа OLYMPUS GX51

Основные области применения микроскопа - материаловедение, а также контроль и измерения в производственной сфере, проверка различных образцов и тестирование сырья. Также он используется для контроля качества выпускаемой продукции, проверки свойств изделий и образцов в процессе производства. Прибор совместим со многими дополнительными модулями OLYMPUS. Благодаря этим модулям микроскоп OLYMPUS GX51 идеально подходит для решения поставленных перед ним задач. Модули установлены таким образом, чтобы оператору было удобно ими управлять. Все оптические модули управления, такие как рукоятки и кнопки для управления диафрагмой, фокусировкой объектива и изменением интенсивности освещения, сгруппированы в одной зоне, что позволяет исследователям легко управлять ими при помощи кончиков пальцев. Стойка микроскопа компенсирует вибрации и повышает устойчивость устройства. При этом остается достаточно места для пальцев оператора. Блок питания для исследовательского микроскопа встроен в сам микроскоп. Это позволяет сэкономить место на рабочем столе техников-исследователей. Оптическая система OLYMPUS GX51 позволяет использовать различные источники света для освещения. Микроскописты могут заменить стандартные галогенные лампы на газоразрядные лампы различной мощности, например, ртутные или ксеноновые. Объективы установлены на сменных турелях. Объективы могут быть с шестью или пятью гнездами с моторизованным поворотным механизмом или переключаться вручную. Фокусировка может быть достигнута путем изменения высоты турели. Могут быть установлены объективы с увеличением от 12,5x до 1500x. Другие особенности

- Бинокулярные или тринокулярные турели с полем зрения 22-26,5.

-Также могут быть оснащены устройствами для исследований в

проходящем свете.

- Оснащены оптикой с коррекцией на бесконечность.

Оборудование КФТИ:

Для исследований использовалось оборудование Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского в микроскопе (СЭМ) "EVO 50 XVP" фирмы "Zeiss" с элементными анализаторами "INCA Energy-350" и "INCA Wave-500". При облучении поверхности образца электронами происходит возбуждение характеристического рентгеновского излучения. Энергия возбуждаемого излучения определяется химическим элементом. Анализируя излучение по энергиям с помощью элементных анализаторов "INCA Energy-350" или "INCA Wave-500" и сравнивая полученные спектры с имеющимися эталонами можно определить элементный состав исследуемого образца. Интенсивность измеренных спектров определяется концентрацией того или иного элемента в образце. Фотографии сканирующего электронного микроскопа "EV050XVP" (CarlZeiss) и системы зондового микроанализа "INCA Energy-50" (Oxford Instruments) показаны на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Фотографии сканирующего электронного микроскопа EVO 50 XVP (Carl Zeiss) и системы зондового микроанализа INCA Energy-350 (Oxford

Instruments).

3.3.3 Методика подготовки шлифов образцов для исследований микроструктуры и твердости обработанных поверхностей Для исследования микроструктуры и микротвердости поперечного сечения образцов требуется изготовление их шлифов. Технология изготовления шлифов

производится по следующей методике. Сначала образец вырезается на высокоточном режущем станке. Затем они помещаются в электрогидравлический автоматический пресс и вдавливаются в смолу. Затем образец полируется с помощью эмульсионного шлифовально-полировального станка для достижения требуемого качества поверхностного слоя. Образцы были вырезаны с помощью ручного отрезного станка «Labotom-3 Зйиегш». Фотография станка приведена на рис. 3.10. Станок предназначен для предварительной резки образцов различных материалов с поперечными размерами до 100x100 мм, в том числе длинных заготовок со сменными режущими дисками.

Рисунок 3.10 - Фотография ручного отрезного станка «Labotom-3 Struerus».

Прессование канавок в смоле осуществляется на автоматическом электрогидравлическом станке «CitoPress-1 Struerus». Фотография представлена на рис. 3.11.

Рисунок 3.11 - Фотография автоматического гидравлического пресса «CitoPress-1

Struerus»

Полировку шлифов производили на шлифовально-полировальном станке «ЬаЬоРо1-5 81шегш» с использованием эмульсий до требуемого качества их поверхностного слоя. Его фотография представлена на рисунке 3.12. Он

Рисунок 3.12 - Фотография шлифовально-полировального станка

«ЬаЬоРо1-5 81гиегш» За счет подбора шлифовальных кругов и набора абразивных жидкостей производят постепенное шлифование и полирование образцов различной твердости до достижения более высоких степеней шероховатости поверхности. В качестве примера приводим фотографии полученных шлифов поперечного среза

Рисунок 3.13 - Фотографии шлифов поперечного среза образцов из диска бороны

(слева) и лемеха плуга (справа)

3.3.4 Методика исследований морфологии поверхности, обработанной

виброплазмой

Морфологию поверхности, толщину и элементный состав образцов изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) «EVO 50» фирмы

«Zeiss» и элементных анализаторов «INCA Energy-350» и «INCA Wave-500». При облучении поверхности образца электронами происходит возбуждение характеристического рентгеновского излучения. Энергия возбуждаемого излучения определяется химическим элементом. Анализируя излучение по энергиям с помощью элементных анализаторов "INCA Energy-350" или "INCA Wave-500" и сравнивая полученные спектры с имеющимися эталонами можно определить элементный состав исследуемого образца. Интенсивность измеренных спектров определяется концентрацией того или иного элемента в образце.

Исследования морфологии поверхности образцов проводилось в двух режимах: SE и QBSD. В первом режиме изображение поверхности формируется за счет регистрации вторичных электронов, которые формируются при облучении поверхности образца первичным электронным пучком микроскопа. Во втором режиме изображение поверхности формируется за счет регистрации отраженных от поверхности электронов первичного пучка. В данном режиме коэффициент отражения электронов существенно зависит от атомного номера элементов, которые входят в состав образца. Например, в данном режиме будет наблюдаться существенный контраст между областями с высоким содержанием углерода или кислорода и железа.

3.3.5 Методика исследований структуры и микротвердости поверхностного слоя

изделия, обработанного виброплазмой С целью выявления микроструктуры были проведены металлографические исследования. Для металлографических исследований предварительно подготавливались металлографические шлифы. Методика подготовки шлифов поперечного сечения образцов для исследований микроструктуры и твердости по их срезу описана в параграфе 3.3.3. Используйте микроскоп, чтобы визуально контролировать качество поверхности полосы. Подготовленная металлографическая полоса имеет зеркальную поверхность без царапин и посторонних предметов.

Однако по зеркальной поверхности полированного образца невозможно определить структуру материала. На светлом фоне полированных микроточек хорошо видны только неметаллические включения разного цвета (сульфиды, оксиды, графит). Поэтому, чтобы идентифицировать микроструктуру образцов, их полированные поверхности травят, то есть подвергают воздействию растворов кислот, щелочей и солей.

Микротвердость измеряется твердомером Виккерса КМТ-1 в соответствии с ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007. Микротвердость измеряется по глубине поперечного сечения образца. Шаг измерения выбирается отдельно для каждого образца, чтобы получить наиболее точное распределение микротвердости по глубине сечения. Значение микротвердости является средним значением трех отпечатков.

3.3.6 Методика оценки износостойкости поверхностного слоя изделия,

обработанного виброплазмой

Износостойкость является важнейшим критерием, определяющим ресурс работы почвообрабатывающих орудий. Постоянное воздействие абразивных частиц почвы на пахотные элементы почвообрабатывающих орудий, наличие влажной среды, износостойкость этих элементов может быть обеспечена повышенной твёрдостью рабочей части (режущей кромки).

Для того чтобы полученные результаты обладали необходимой достоверностью, требуется некоторое количество измерений. Измерения полученных отпечатков производятся автоматически с помощью видеоаппаратуры, подключенной к компьютеру. На основе индекса твердости производится статистическая обработка результатов с помощью специального программного обеспечения.

Стендовые испытания позволяют получить информацию о надежности изделия благодаря стабильности и безотказной работе параметров управления. Эти испытания проводятся в заводских условиях. Ускоренные лабораторные испытания позволяют значительно сократить время испытаний и при этом получить очень надежные данные. В связи с этим в последнее время увеличилось

использование этих типов испытаний. Ускоренные испытания пытаются воспроизвести условия эксплуатации как можно более реалистично, в частности, увеличивая концентрацию абразива, температуру и количество циклов, что делает условия эксплуатации более суровыми и, соответственно, увеличивает скорость изнашивания. При решении задач долговечности изделий пользуются понятиями (критериями) износостойкость, интенсивность износа, скорость изнашивания.

В современных расчетах на износ при установившемся процессе изнашивания используются следующие средне интегральные значения интенсивности изнашивания:

Ih= h/S - интенсивность линейного изнашивания;

Iv= V/S - интенсивность объемного изнашивания;

IG= G/S- интенсивность изнашивания по массе.

Здесь: h. V и G - величины износа, соответственно, линейного, объемного и массового износа; S - путь трения.

V - это отношение величины износа ЛИ (линейной, объемной или весовой) к интервалу времени AT, в течение которого происходит износ Vи = АИ / АТ.

Есть еще понятие - относительная износостойкость К. Это отношение интенсивности изнашивания одного материала к интенсивности изнашивания другого в одинаковых условиях. Формула: К = I2/Ii , где Ii - интенсивность изнашивания эталонного материала; I2 - интенсивность изнашивания испытуемого материала.

Исследования по оценке износостойкости могут быть выполнены с применением трибометра «TRB-S-DE». Его фотография приведена на рисунке 3.14. Трибометр «TRB-S-DE» регистрирует коэффициент трения, силу трения,

Рисунок 3.14 - Фотография трибометра «TRB-S-DE»

а также профилограмму следа трения. Исследование процесса взаимодействия трибопары происходит по схеме «диск-палец» в режиме сухого трения и в присутствии смазочных материалов: Точность определения коэффициента трения - 0.01; Нагрев тестируемого образца - до 1000°С; Диапазон нагрузки - 15 Н; Скорость вращения образца - 0,3 - 500 об/мин; Непрерывное измерение глубины износа; Измерение тангенциальной силы; Два канала пользователя для одновременного отображения дополнительных данных, таких как температура и влажность.

3.3.7 Методика сравнительных ресурсных испытаний на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин В настоящее сложное время ресурсные испытания тех или иных рабочих органов почвообрабатывающих машин представляют большие трудности, тем более в полевых условиях, и тем более для рядового аспиранта. В нашем случае, в принципе, такой необходимости и не требуется. Наша задача, показать практически, что обработанные виброплазмой рабочие органы почвообрабатывающих машин будут служить дольше, чем стандартные заводские рабочие органы. Для этого необходимо иметь устройство, пригодное для сравнительного испытания на абразивный износ пахотных элементов почвообрабатывающей машины с различной износостойкостью. Такого оборудования не имеется в распоряжении как Казанского государственного аграрного университета, в котором было мое обучение в аспирантуре, так и Кызылординского государственного университета им. Коркыт Ата, где я работаю.

Была проведена патентная проработка по определению ресурсных характеристик рабочих органов почвообрабатывающих машин работающих в условиях абразивной среды. Наиболее подходящими оказались разработки по патентам РФ № 2328720, № 2408865 и № 2649241. Анализ показывает, что каждое из этих устройств обладает рядом недостатков, например, отсутствием возможности использования для испытаний образцов неправильной геометрии, например, один рабочий орган и т.д. Чтобы смоделировать условия работы

культиватора, невозможно провести сравнительные испытания большого количества различных образцов одновременно. Поэтому для решения этой проблемы необходимо разработать уникальную систему ресурсных испытаний для сравнения износа почвообрабатывающих машин с разной абразивной стойкостью. Нами, совместно с научным руководителем Шарифуллиным С.Н., такая установка была разработана и не нее получен патент РФ № 2736702.

Здесь приведено описание конструкции требуемой установки, компоненты которой показаны на рисунках 3.15, а и 3.15, Б. Принцип работы установки: перед началом работ пользователь проводит внешний осмотр, чтобы убедиться, что установка находится в рабочем состоянии и заземлена. После этого установка

готова к эксплуатации.

а) б)

Рис. 3.15 - Аппарат для сравнительных ресурсных испытаний на износ рабочих

органов почвообрабатывающих машин с различной износостойкостью: а -главный вид, б - вид справа. 1 - Стойка; 2 - Контейнер; 3 - Кронштейн вращения (коромысло); 4 - Приводной вал; 5 - Колеса передвижения аппарата; 6 -Испытуемый элемент; 7 - Электродвигатель; 8, 9 - Узел вращения

Затем с помощью крепежных болтов устанавливается положение кронштейна (коромысла) на приводном валу 4 на нужную высоту, а затем насыпают абразив в емкость 2. Высоту абразивного материала подбирают таким образом, чтобы на рабочем органе 6 образовался слой, достаточный для требуемого давления. Выбор марки абразивного материала принципиально не важен, поскольку требуемые технические результаты достигаются не при использовании конкретной марки абразива, а при сравнении и испытании рабочих органов с различной износостойкостью. Смесь песка, гравия, кварцевого песка и т.д. Он может быть выбран в качестве абразивного материала.

Интенсивность износа закаленных и незакаленных образцов в течение периода испытаний рассчитывается по следующей формуле:

1-' = ^, г/ч, (3.1)

где И - величина износа образцов, г;

Т - продолжительность испытания образца, ч. Износостойкость образцов определяют по формуле:

Е = ч/г. (3.2)

Относительная износостойкость:

где Е1- износостойкость исходного образца, ч/г; Е2— износостойкость закаленных образцов, ч/г.

Когда прибор будет готов, подключите его к источнику питания. Запустите мотор-редуктор 7 и обработайте испытательный образец абразивным материалом. В случае рабочего органа сельскохозяйственной техники испытание проводится до тех пор, пока образец с более низкой прочностью не достигнет предельного состояния, то есть он не будет непригоден для дальнейшего использования. Затем сравните параметры двух образцов, например, массовый износ, и сделайте выводы о сроке службы тестируемого изделия. Для практической проверки рекомендуется продолжить тестирование более износостойких образцов в

соответствии с граничными условиями. Характеристики срока службы можно измерить, сравнив время обработки двух образцов.

3.3.8 Методика испытаний в полевых условиях Испытания стрельчатых лап в полевых условиях проводились в крестьянском хозяйстве «Багдаулет» Кызылординской области, Республики Казахстан. Большинство почв Кызылординской области имеют общие признаки: высокую карбонатность, щелочную реакцию почвенного раствора, присутствие водно-растворимых солей, слоистое сложение, малое содержание гумуса.

Полевые испытания проводили в звене рисового севооборота. При проведении полевых испытаний необходимо определить количество испытуемых серийных и упрочненных стрельчатых лап. Необходимое количество лап N можно определить по следующей формуле [19]:

" - ^ (3.4)

V

где уь- относительная ошибка. Обычно эта ошибка находится в пределах у = 0,10...0,20; V - коэффициент вариации. При проведении испытаний на изнашивание он составляет 0,3; ^ - коэффициент Стьюдента.

Величину ^ можно определить из известной таблицы коэффициентов Стьюдента. Для этого необходимо знать надежность рассматриваемой техники, в нашем случае надежность почвообрабатывающих машин. Для таких машин коэффициент надежности равен 0,8. Кроме этого, коэффициент Стьюдента должен обеспечить точность проводимых испытаний. Она зависит от кратности измерений. Для нашего случая достаточно произвести трехкратное измерение. Тогда из вышеуказанной таблицы коэффициент Стьюдента будет равен 1,9. Из формулы (3.5) определим количество упрочненных лап для испытаний. Он равен 8,0 единицам. N = 8. Соответственно количество серийных лап также должно быть равно 8,0 единицам. Под испытание общего количества лап культиваторов 16,0 единиц подходит культиватор марки КПН-4,0.

Культиватор агрегатировался с трактором МТЗ-80. Для обработки лап культиватора выбрана технология виброплазменного метода упрочнения: сначала произвели вибродуговую обработку на установке ВДГУ-2 меднографитовым электродом, а затем электроискровую обработку на установке «Элитрон 22А» вольфрамокобальтовым электродом ВК6 в Кызылординском университете.

Рисунок 3.16 — Фотография установки «Элитрон 22А»

Характеристики установки «Элитрон 22А»: Напряжение питания сети — 220 В; Потребляемая мощность — 0,4 кВт/ч; Количество электрических режимов — 5; Выходное напряжение — 60 В; Частота вибрации электрода — 100 Гц; Частота импульсов — 100 — 350 Гц; Рабочий ток — 0,5 — 2,8 А; Габаритные размеры — 370x350x200 мм; Масса генератора — 22 кг; Максимальная производительность формирования покрытия без пропусков — 6 см2/мин. Обработку производили режущей кромки лицевой стороны лапы культиватора. Ширина наплавки — 2,0 см. Ток вибродуги установки ВДГУ-2 составлял 60 А, энергия импульса электрической искры — 0,4 Дж. Выбрана частота вибратора 100Гц. Электрический режим установки № 3, рабочий ток — 2,0 А, емкость электролитических конденсаторов —360 мкФ. При таком режиме работы установки энергия импульсов равна 0,7 Дж. Продолжительность обработки одной лапы культиватора составила 14,0 мин. Расход вольфрамокобальтового электрода ВК6 на одну лапу культиватора составил 150 мм, в пересчете на вес — 35,0 грамм. Стоимость одного килограмма ВК6—1900 руб. Тогда затраты на вольфрамокобальтовый электрод ВК6 на упрочнение одной лапы культиватора составит 67,0 руб. Полевые испытания происходили в период с 01.04.2023 г. по 01.05.2023 г.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН МЕТОДАМИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ И ВИБРОДУГОВОЙ

ОБРАБОТКИ

4.1 Фотографии обработанных образцов виброплазмой

Для наглядности приведем фотографии обработанных образцов из стали 65Г (Рис. 4.1 и 4.2). Образцы обработаны на установке БИГ-5, на установке ВДГУ-2 и устройстве по патенту РФ № 2655420. Видно, что эффективность обработки будет зависеть режима обработки и вида виброплазмы, а также на результаты оказывает воздействие обработка поверхности плазмой в сочетании вибродуги и электрической искры. Поэтому необходимость исследования влияния морфологии, структуры и фазового состава обработанного слоя поверхности на ее физико-механические свойства является насущной необходимостью.

Рисунок 4.1 - Фотографии образцов из стали 65Г, обработанных электрической искрой: а - образец № 31 - исходный; б - образец № 32 - энергия импульса 0,11Дж; в - образец № 33 - энергия импульса 0,32 Дж; г - образец № 34 - энергия импульса 0,9 Дж; д - образец № 35 - энергия импульса 1,8 Дж; е - образец № 36 - энергия импульса 4,3 Дж; ж - образец № 37 - энергия импульса 10,0 Дж

Из сравнения фотографий следует, что обработанный слой довольно однородный, но является многофазной. Обработка поверхностей с повышенными энергиями импульса электрической искры приводит к увеличению зерен в обработанном слое (Рис. 4.1ж). Полная характеристика поверхностного слоя может быть дана при исследовании его морфологии.

Из рисунка 4.2. фотография (а) относится к исходному образцу, фотографии (б), (в) и (г) относятся обработанным образцам. Исходному образцу присвоим № 11, обработанным образцам - № 12, № 13 и № 14. Образец № 12б обработан электрической искрой, затем дополнительно вибродуговым разрядом, № 13в -вибродуговым разрядом, № 14г - вибродуговым разрядом с дополнительной обработкой электроискрой. Ток вибродуги - 60 А, энергия импульса электрической искры 0,4 Дж. Как видно из фотографий, обработка образцов в сочетании электроискры и вибродуги приводит к резкоконтрастной морфологии поверхности. Тем не менее, имеется сплошность покрытия. Морфология для таких вариантов виброплазменной обработки совершенно разная. Для полной характеристики поверхностного слоя необходимы исследования его морфологии.

а б в г

Рисунок 4.2 - Фотографии образцов из: а - исходный образец № 11, б - образец №

12 - обработка электрической искрой, затем дополнительно вибродуговым разрядом, в - образец № 13 - обработка вибродуговым разрядом, г - образец № 14 -обработка вибродуговым разрядом, затем дополнительно электроискрой

4.2 Исследования морфологии поверхностных слоев образцов, обработанных

электрической искрой

Исследования морфологии поверхностных слоев проводились для образцов. Размер образцов - 69х79 мм, толщина - 3 мм. Материал образцов сталь 65Г. Количество образцов - 7 шт. Обработке подвергли 1/3 часть поверхности образцов (16 см2). Образцы подвергнуты электроискровой обработке на электроискровой установке БИГ-5 (Кишинев) в ФНАЦ ВИМ при разных режимах. Материал электрода - спеченный твердый сплав Т15К6 в виде остроконечной пластины (материал режущей части резцов). Средняя продолжительность времени обработки одного образца - 1 мин. Обработка в ручном режиме. Обработку производили с таким расчетом, чтобы максимально охватить всю площадь поверхности образца. Образцы нагревались порядка до 70 °С. Режимы обработки образцов и энергетические параметры установки БИГ-5 (Кишинев) приведены в таблице 3.2 параграфа 3.3.1 данной главы. Фотографии получены при 50, 250 и 500 кратных увеличениях для различных характерных областей поверхностей. Вкладываемую энергию разряда от образца к образцу повышали. Изучение морфологии поверхностей оказалось наиболее интересным при 50 кратном увеличении микроскопа. Приведем их на рисунках 4.3 и 4.4.

По фотографии исходного образца (№ 31) (рис. 4.3) видно, что на поверхности образца имеется множество рисков и царапин от механической обработки. Электроискровая обработка даже при малой мощности установки БИГ-5 приводит к резкому изменению морфологии поверхности образца (№ 32). В местах контакта электрода с поверхностью образца видны капли расплавленного электродного материала. Под воздействием высокотемпературного теплового потока плазмы поверхностный слой материала частично расплавляется. Этот слой скорее тонкий, поэтому под ней еще просвечиваются риски и царапины поверхности образца.

Образец № 31 - исходный

Образец № 32 Энергия импульса 0,11Дж

Образец № 33 Энергия импульса 0,32 Дж

Образец № 34 Энергия импульса 0,9 Дж

Рисунок 4.3 - Морфологии характерных областей поверхностей образцов, исходного образца и обработанных образцов на электроискровой установке

БИГ-5 при разных режимах.

Если образцы (№ № 33 и 34) обрабатывать с повышенными мощностями установки БИГ-5, то воздействие плазмы на поверхность образца оказывает более сильное влияние и упрочненный слой становится более заметным (рис. 4.3). Идет перемешивание расплавленного материала электрода с расплавленным материалом сварочных зон поверхности образца и начинается процесс легирования элементов электрода вглубь поверхности. Из фотографий также видно, что нет полной сплошности обработки поверхности образца. Это результат применения ручного метода обработки. На фотографиях образцов номеров 35- 37 видно, что дальнейшее повышение энергии электроискрового разряда позволяет

создание жидкообразного расплавленного слоя поверхности образца. Тем не менее, полной однородности жидкостного слоя не имеется.

Образец № 35 Энергия импульса 1,8 Дж Образец № 36 Энергия импульса 4,3 Дж

Образец № 37 Энергия импульса 10,0 Дж

Рисунок 4.4 - Морфологии характерных областей поверхностей образцов, обработанных на электроискровой установке БИГ-5 с более высокими

мощностями

4.2.1 Сравнительная характеристика морфологий поверхностных слоев образцов, обработанных различными электроискровыми устройствами и

различными электродными материалами Для сравнения морфологии образцов при их обработке с использованием различных электроискровых устройств и различными электродными материалами провели эксперимент по электроискровой обработке одного образца. Размер образца - 40х40 мм, толщина - 3 мм. Материал образца сталь 65Г. Образцу присвоили № 38, как продолжение номеров образцов по их обработке

электроискровой установкой БИГ-5. Образец № 38 подвергнут электроискровой обработке на устройстве по патенту РФ № 2655420. Электрод -вольфрамокобальтовый пруток ВК6 диаметром 4 мм. Частота вибратора - 100 Гц. Режим установки: емкость накопительных конденсаторов - 220 мкФ, зарядное напряжение - 60 В. Энергия импульса при данных параметрах режима установки соответствует 0,4 Дж, т.е. примерно соответствует энергии обработки установкой БИГ-5 образца № 32. Площадь обработки 16 см2. Средняя продолжительность времени обработки - 1 мин. Обработка ручная. Шаг движения электрода - 1,5 диаметра прутка ВК6. Для полного охвата всей площади поверхности образца обработку производили дважды. Практически нагрев образца не происходил. Нагар на поверхности не образовался.

Фотографии микроструктуры характерных областей поверхности образца № 38 приведены на рисунке 4.5. Масштабы указаны на фотографиях. Образец № 38 исследовался в таких же режимах (метод СЭМ при различных увеличениях и режимах SE и QBSD), что и образцы № № 31-37. Анализ микрофотографии поверхности образца № 38 показывает, что электроискровая обработка приводит к резкому изменению морфологии поверхности образца. Наблюдается развитая поверхность, обусловленная проведенной обработкой. В местах контакта электрода с поверхностью образца, видны капли расплавленного электродного материала. Под воздействием высокотемпературного теплового потока плазмы поверхностный слой материала частично расплавляется [105].