УДК 621.793

электротермическАЯ наплавкА ПОКРЫТИЙ ИЗ МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ с использованием системы и алгоритма управления параметрической стабилизацией режимов

 

ELECTROTHERMAL ALLOYING OF COATINGS OF METAL-MATRIX COMPOSITES WITH THE USE OF THE SYSTEM AND CONTROL ALGORITHM FOR PARAMETRIC STABILIZATION MODES

 

Сосновский И.А., Белоцерковский М.А., Курилёнок А.А. (Объединенный институт машиностроения, г.Минск, РБ)

Кузнечик О.О. (Институт порошковой металлургии, г.Минск, РБ)

Грудько И.И., Трембицкий И.П. (ЭРУП «Центр механизации путевых работ Бел.ж.д.», г.Пинск, РБ)

 

Sosnovsky I.A., Belotserkovsky М.А., Kurileonok A.A. (Joint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, Belarus)

Kuznechik O.O. (Powder Metallurgy Institute, Minsk, Belarus)

Grudko I.I., Trembitsky I.P., (ORUE «Center of Belarusian Railway mechanization of track maintenance», Pinsk, Belarus)

 

Рассмотрена технология нанесения покрытий из металломатричных композитов методом электротермической наплавки. Описана система и алгоритм управления параметрической стабилизацией режимов наплавки

The technology of coating of metal-matrix composites by the method of electrothermal welding. The described system and control algorithm for parametric stabilization of modes of welding

 

Ключевые слова: электротермическая наплавка, металломатричные композиты, алгоритм управления, параметрическая стабилизация

Key words: electrothermal welding, metal-matrix composites, the control algorithm, parametric stabilization

 

Введение. Увеличение прочности, надежности и долговечности деталей механизмов и узлов трения, подвергающихся при эксплуатации повышенному воздействию тепловых и механических нагрузок, является актуальной проблемой современного машиностроения [1, 2]. Решение этой проблемы может основываться на расширении сферы применения на предприятиях машиностроения и ремонтного производства технологии нанесения покрытий из металломатричных композитов методом электротермической наплавки [3, 4], который включает в себя процессы, как индукционной, так и электроконтактной (также известной и, как искровой плазменной) наплавки. Наиболее распространенные технологические схемы осуществления этих процессов представлены на рисунке 1.

1 – прижимные крышки; 2 – индуктор;

3 – деталь; 4 – припекаемый порошок;

5 – прокладки; 6 – собственная ось детали

 

7 – регулятор электроконтактной наплавки;

8 – тиристорный привод; 9 – пневмопривод;

10 – электроды-пуансоны; 11 – матрица;

а)

б)

Рисунок 1 – Схемы индукционного (а) и электроконтактного (б) нагрева

 

Расширению сферы применения на предприятиях машиностроения и ремонтного производства технологии нанесения покрытий из металломатричных композитов методом электротермической наплавки может способствовать использование в этой технологии системы и алгоритма управления параметрической стабилизацией режимов осуществляемых согласно рисунку 1 процессов. Целью работы является решение этой задачи.

1. Технология и алгоритм нанесения металломатричных композитов электротермической наплавкой. В качестве исходного сырья, используемого для электротермической наплавки металломатричных композитов, используется шихта, количественный состав который подбирается исходя из требуемой прочности, твердости и триботехнических свойств получаемых покрытий. При этом основу исходной шихты для наплавки металломатричных Al-SiC композитов, могут составлять порошки объединенной компанией «РУСАЛ», получаемые из сплавов алюминия, например, АСП, АСД, ПА, АПЖ и ПАВЧ, включая АПВ, а также ПАО «Запарожабразив» и ОАО «Волжский абразивный завод» марок ПА и ККЧ, содержащие карбид кремния. Основа исходной шихты для наплавки металломатричных Cu-SiC композитов отличается тем, что вместо порошков марок АСП, АСД, ПА, АПЖ, ПАВЧ и АПВ, могут использоваться ОАО «Палема», получаемые из сплавов меди, например, Бр.О5Ц5С5, Бр.О10Ф1. Подготовка такой шихты осуществляется рассевом по фракциям, развесовой и механическим смешиванием (рисунок 2).

Подготовленная шихта, непосредственно перед началом процесса электротермической наплавки, подвергается формованию в поле действующих сил сжатия, формируемого различными способами [4], в том числе, с использованием центробежного вращения (рисунок 1 а). В ходе электротермического нагрева определенная часть шихты, состоящая из порошков металлических сплавов, испытывает, сначала, упругопластическую, а затем упруго-вязкую деформацию.

 

Рисунок 2 – Алгоритм выполнения электротермической наплавки

 

После достижения температуры плавления металлических порошков, вошедших в исходную шихту, во время изотермической выдержки, формируется жидкая фаза металлической матрицы металломатричного покрытия. После ее завершения и отключения электротермического нагрева, последовательно протекает (рисунок 2) заключительная стадия рассматриваемого технологического процесса, которая включает в себя охлаждение и финишную термомеханическая обработка.

Отметим, что на стадиях упругопластической и упруго-вязкой деформации, а также изотермической выдержки на температуре наплавки наблюдается усадка шихты, которая проявляется в изменении высоты (h) ее сформованного на рабочей поверхности детали слоя.

Для обеспечения повторяемости режимов электротермического нагрева используется адаптивная система параметрической стабилизации, функциональная схема которой приведена на рисунке 3.

 

1 – регулятор наплавки;

2 –исполнительные механизмы установки электротермического нагрева;

3 – объект управления (наплавочная шихта);

RM – эталонная модель;

h0, T0, i0, h(t), T(t), i(t) – требуемые и текущие значения высоты наплавляемых покрытий, температуры и силы электрического тока;

Uх, рх, ωх – напряжение, давление в шихте и ее угловая скорость вращения

Рисунок 3 – Функциональная схема адаптивной системы параметрической стабилизации

 

Представленная на рисунке 3 функциональная схема адаптивной системы параметрической стабилизации может быть реализована на основе разработанной Объединенным институтом машиностроения микропроцессорной системы контроля индукционной наплавкой и разработанной Институтом порошковой металлургии микропроцессорной системы электроконтактной наплавки.

2. Алгоритм управления параметрической стабилизацией режимов электротермической наплавки. Приведенная на рисунке 2 адаптивная система параметрической стабилизации режимов электротермической наплавки позволяет процессы нагрева и изотермической выдержки выразить с помощью описывающих алгоритм ее действия следующих функционалов:

,                                           (1)

где    Y[T(t),h(t)] – функционал состояния ОУ, определяемый функциями T(t) и h(t), зависящими от времени, X[S(t)] – функционал внешнего воздействия на ОУ, определяемый сигнальной функцией S(t), задаваемой Р, следующим образом

.                                           (2)

При заданной температуре (T0) наплавляемого порошка и толщине (h0) получаемых покрытий, используя функционал отклонения параметров

,                                               (3)

где     – параметр отклонения температуры;  – параметр отклонения толщины покрытия, задача по оптимизации длительности и стабилизации режимов электротермической наплавки.

Функционалы (1)–(3) устанавливают связь между регулятором наплавки и исполнительными механизмами установки электротермического нагрева. На практике эта связь позволяет корректировать работу исполнительных механизмов таким образом, чтобы с одной стороны поддерживать заданную скорость нагрева и давление сжатия наплавочной шихты, а с другой стороны определять длительность изотермической выдержки на температуре наплавки до тех пор, пока не будут выполнены условия:

    и     .                      (3)

Представленные результаты использованы в технологии изготовления биметаллических втулок подбивочных блоков и гаек подъема электромагнитов узлов трения механизмов путевых машин на ЭРУП «Центр механизации путевых работ Белорусской железной дороги» (г. Пинск, РБ), в рамках задания 2.3.03 ГПНИ «Механика, металлургия, диагностика в машиностроении»

 

Список использованных источников

1. Современная трибология: Итоги и перспективы [Текст] / под ред. К.В. Фролова.  М.: Издательство ЛКИ, 2008.  480 с.

2. Курганова, Ю.А. Конструкционные металломатричные композиты [Текст] / Ю.А. Курганова, А.Г. Колмаков.  М.: МГТУ им.Н.Э. Баумана, 2015.  141 с.

3. Белявин, К.Е. Индукционный нагрев в процессах центробежного нанесения покрытий [Текст] / К.Е. Белявин, И.А. Сосновский, А.Л. Худолей.  Минск: Вестник фонда фундаментальных исследований, 2013.  № 3 (36). С.70–87.

 4. Белявин К.Е. Импульсные электрофизические технологии получения покрытий и модифицирования поверхности материалов / К.Е. Белявин, Д.В. Минько, О.О. Кузнечик, В.В. Макеев [Текст] // Металлургия. Респ. межвед. сб. науч. трудов.  Вып. 34. ч. 2.  2013.  С. 58–71.