Прогрессивные технологии восстановления и упрочнения деталей машин

При заполнении рабочей зоны ферромагнитным порошком характер картины поля сохраняется, но изменяется плотность магнитного потока. Если известно распределение магнитных потенциалов в рабочей зоне для случая заполнения ее воздухом, то новые значения магнитных потенциалов при заполнении рабочей зоны порошком можно оценить и определить количественно с помощью коэффициентов Pi и р2. Значения магнитных потенциалов внутри рабочей зоны должны быть увеличены умножением на коэффициент pi > 1, а на участках потоков рассеяния — уменьшены делением на р2 < 1:

p ^ G j + G ^ G . + G,);

p2=(G, + G2)/(n„G, + C72),

где (i„ -— относительная магнитная проницаемость порошка; G\ и Gi — соответственно магнитные проводимости рабочего зазора и участков рассеивания при заполнении воздухом.

Если зерно порошка имеет удлиненную форму, например, эллипсоида, то на него действует момент магнитных сил Мм, который может быть вычислен по формуле

Мм = р5*ак sinG,

где р = В2И\х0 — магнитное давление на единичную площадку поверхности зерна; S* — площадь среднего поперечного сечения эллипсоида; а — длина его наибольшей оси; 0 — угол между направлениями наибольшей оси эллипсоида и силовых линий внешнего магнитного поля; к — коэффициент.

Если материал зерна имеет высокие магнитные свойства (цм » 1 ) , то

где X — отношение полуосей эллипсоида, а значение N для вытянутого эллипсоида (X, > 1) определяется из зависимости

Каждое зерно вытянутой формы под действием момента магнитных сил Мм стремится развернуться вдоль силовых линий поля, однако окружающая

40

порошковая среда и силы трения с движущейся поверхностью заготовки пре- п я т с т в у ю т переориентации зерна. При этом со стороны вытянутого зерна на порошковую среду и поверхность заготовки действует дополнительная магнитная сила

Ful = (М„ / a) sinQ.

2.2.2. Поля напряжений в порошковой среде. Силы взаимодействия в контакте зерен порошка с обрабатываемой поверхностью определяются не только силами, действующими непосредственно на контактирующее зерно, но и воздействием на него окружающей порошковой среды. Сложность расчетов усугубляется тем, что сами зерна внутри рабочей зоны имеют разную форму и размеры, поэтому было принято допущение, что рабочая зона заполнена однородной по плотности и магнитным свойствам порошковой средой. С учетом сделанного допущения вместо сил F,, действующих на отдельные зерна, оперировали удельными силами F i , действующими на малые единичные объемы порошковой среды.

F , = £ F , / лг, i=i

где Ft — силы, действующие на п зерен, перемещающихся в объеме Л К.

На границе области, занятой порошковой средой, и на выделяемых площадках внутри среды нормальные и тангенциальные напряжения будут определяться соответственно следующими зависимостями:

Здесь Fin и Fn — нормальные и тангенциальные силы, действующие на площадку AS со стороны г-го зерна, размещающегося на этой площадке.

На боковых границах порошковой среды действуют магнитные давле- н и я Рмг, направленные внутрь порошковой среды. Внутри среды действуют

41

Рис. 2.4. Схема воздействия магнитных сил и давления в рабочей зоне (а) и на поверхности раздела сред ферропорошок—воздух (б)

при отсутствии рабочих движений при электромагнитной наплавке.

Под действием давлений РМГ и удельных магнитных сил FJU7 каждый элементарный объем среды испытывает сжатие напряжениями az. По законам механики зернистых сред в плоскости, перпендикулярной к направлению действия ст2, возникают напряжения бокового распора сту, равные

где £, — коэффициент, характеризующий условия бокового давления; р — коэффициент Пуассона для данной порошковой среды.

Напряжения ау передаются к поверхностям полюсного наконечника, заготовки и совместно с силами F. создают на этих плоскостях давления РУ.

Наличие напряжений сту объясняет силовой контакт частиц порошка с заготовкой, когда все магнитные силы FjMy направлены от заготовки к полюсному наконечнику.

Удельные магнитные силы FJM могут быть определены, если известны закономерности распределения магнитного поля, по формуле

42

пп

г д е цп — магнитная проницаемость порошковой среды при величине индукции В\ п — направление градиента магнитной индукции в данной точке пространства; г — объемное содержание ферромагнитного материала в единичном объеме порошковой среды

е = ] ^ . / Д Г = у„/уЛ 1 ,

/=1

где у„ и ум — плотность материала порошка в порошковом и монолитном состояниях соответственно.

Тогда координатные составляющие удельной магнитной силы будут соответственно

Для расчета магнитных давлений Рж на боковых границах рабочего зазора можно воспользоваться следующим приемом. Если малый объем порошка А V перенести через границу раздела сред по нормали к этой границе из положения I внутри порошковой среды в положение II вне этой области, то магнитная энергия этого малого объема изменится, не изменив существенно распределение магнитного поля в ближайшей зоне (рис. 2.4, б). В этом случае удельная магнитная энергия в объеме А К может быть определена по формуле

п

Разность удельных магнитных энергий в начальном и конечном положениях в первом приближении равна магнитному давлению на поверхности границы в этой точке

43

где Bi и Ве — значения магнитной индукции в данной точке и на границе внутри среды соответственно.

Проекции векторов магнитной индукции и напряженности поля на границе раздела сред связаны соотношением В2 = Вп2 + В2.

С учетом этого зависимость (2.3) можно привести к виду

•^М-о •'Но

Максимальное значение Рмг принимает при (3 = 0, когда векторы магнитной индукции в каждой точке границы раздела сред совпадают с ее направлением, т. е. наиболее вероятным расположением границы раздела сред в статике является ее совмещение с направлением силовых линий магнитного поля, так как это обеспечивает наиболее надежное удерживание зерен порошка на поверхности раздела сред.

При вращении заготовки удельные силы трения F ^ в контакте порошка с обрабатываемой поверхностью совместно с давлением Рмг смещают порошковую среду в направлении движения. Выбрасыванию порошка из ра-

конечником; давление Рмг.

Силы трения порошка с заготовкой перемещают порошок к границе зоны и создают в рабочем зазоре собственное поле напряжений, которое, суммируясь с полем напряжений от действия Рмг и FjTp, создает увеличение давления Ру на поверхностях полюсного наконечника и заготовки. Нормальную составляющую силы давления Ру для каждого зерна, находящегося в контакте с заготовкой, можно вычислить по формуле

Ру (к) = Ру (к)A S/N = Ру (к)Ь2,

где Ру (к) — среднее значение силы Ру в пределах малой площадки AS с центром в точке z = к, Ру (к) — давление на заготовку в точке z = к, N = ASib2 — число зерен порошка, размещающихся на площадке AS; Ъ — размер малой оси эллипсоида.

44

Тангенциальные составляющие силы давления в каждой точке линии контакта порошка с обрабатываемой поверхностью, если при движении заготовки соблюдено условие равновесия всех сил в направлении оси z, определяются из зависимости

РД) = Fflv(k)AS/N=FJTp(k)b2.

Следовательно, в результате электромагнитных процессов зерна порошка под действием составляющих силы давления Ру и Pz удерживаются на поверхности заготовки. Это свидетельствует о том, что при формировании электромагнитного покрытия не требуется дополнительных механических воздействий. Однако для повышения параметров качества микрогеометрии и макрорельефа покрытия небольшой толщины, полученного ЭМН, допускается дополнительная механическая обработка — поверхностное пластическое деформирование покрытия.

2.3. Управление процессом возбуждения электрического разряда при электромагнитной наплавке

Возбуждение электрического разряда и соблюдение стабильности протекания процесса — важные технологические операции электромагнитной наплавки, оказывающие влияние на производительность, качество покрытия, расход порошка и электроэнергии.

Процесс ЭМН для системы с постоянной подачей порошка в рабочую зону можно рассматривать в несколько стадий: формирование «щетки» порошка на рабочем торце полюсного наконечника, осуществление процесса замыкания цепи первой цепочкой-электродом, нагрев цепочки-электрода протекающим током, возбуждение горения и погасание электрической дуги с замыканием цепи последующими цепочками-электродами (рис. 1.15).

Признаком установления стабильного процесса ЭМН является групповое перекрываемое горение цепочек-электродов в рабочей зоне.

Установлено, что образовавшиеся при электрическом разряде объемы жидкого металла выбрасываются из зоны расплавления. Место зарождения и развития электрического разряда с учетом того, что цепочка-электрод состоит из отдельных зерен, зависит от многих факторов. Определение точки, в которой

45

происходит дуговой разряд в цепочке, и управление его местоположением важно для повышения производительности процесса, срока службы полюсного наконечника, снижения расхода ферропорошка и энергетических затрат.

Согласно теории термической ионизации возбуждение и развитие электрического дугового разряда происходит в месте выделения наибольшего количества теплоты в системе «токоподводящий наконечник — электрод — деталь».

Для определения места возбуждения электрического разряда в цепочкеэлектроде и факторов, позволяющих управлять этим процессом, необходимо установить распределение температуры по длине токопроводящей цепочки-электрода в момент, предшествующий зарождению и развитию дугового разряда.

Из теории процессов сварки известно, что соприкосновение электрода с основным металлом характеризуется резким падением напряжения и нарастанием силы тока короткого замыкания. Цепочка-электрод на участке между заготовкой и токоподводящим наконечником нагревается протекающим током согласно закону Джоуля-Ленца. В месте выделения наибольшего количества теплоты происходит перегрев цепочки-электрода и возникновение дугового разряда.

Известно, что при ЭМН электрод состоит из N дискретных частиц порошка, между которыми существуют дополнительные контактные сопротивления Ru, i?23, Для рассмотрения нагрева цепочки-электрода принимаем ряд допущений: порошок состоит из одинаковых по форме зерен — эллипсоидов вращения с размерами большой и малой осей а и Ъ\ в окрестности точки А (рис. 2.5) — контакта первого зерна с полюсным наконечником часть выделяющейся энергии, которая характеризуется коэффициентом распределения энергии 0 < к < 1, поступает к первому зерну, а остальная — расходуется на разогрев полюсного наконечника. Так как время импульса составляет 0,01—0,15 с, то потерями энергии на конвекцию и излучение пренебрегаем.

Для полюсного наконечника нагреваемая область вокруг точки А ограничивается цилиндрическим объемом металла длиной, равной а, и сечением

46

AS, равным наибольшей поперечной площади зерна. На участке АА, (рис.2.5) т е м п е р а т у р н а я зависимость запишется уравнением

с граничными условиями

e(-e,f) = ee;

эе, = ki2Rnjt)

ас1*-* & | w 0

где Кпн — теплопроводность материала полюсного наконечника; Сп„ — удельная теплоемкость материала наконечника; рпн — удельное электрическое сопротивление материала наконечника; 6С — температура окружающей среды; к — коэффициент распределения энергии; RnH\{t) — контактное сопротивление в точке А.

47

где X — теплопроводность материала порошка; R\(t) — сопротивление материала первого зерна; С — удельная теплоемкость материала порошка; р —. удельное электрическое сопротивление.

Граничное условие для уравнения в точке контакта первого зерна N\ (рис. 2.5) определяется зависимостью

где Л 12(0 — контактное сопротивление в точке N\.

Процесс нагрева электрода на участке i'-го зерна описывается уравнением

Здесь R,{t) — сопротивление материала г-го зерна; R ^ f t ) — контактное сопротивление в точке Л ^ ; Л,(,+1) — контактное сопротивление в точке Nt.

Для зерна, находящегося в контакте с обрабатываемой поверхностью в

где R„u — контактное сопротивление в точке В.

В окрестностях точки В будет происходить разогрев заготовки, аналогичный разогреву полюсного наконечника в точке А. В этом случае изменение температуры участка ВВ, можно определить из уравнения

48

где — теплопроводность материала заготовки; Си — удельная теплоемкость материала заготовки; р„ — удельное электрическое сопротивление материала заготовки с граничными условиями в точке В

б[(л + 1)<м]=ес .

Следовательно, модель процесса нагрева цепочки-электрода можно представить следующей системой уравнений:

Распределение температуры по длине цепочки-электрода можно исследовать в зависимости от силы проходящего по ней тока и коэффициента распределения энергии в момент времени, предшествующий дуговому разряду. Для определения контактных сопротивлений между зернами порошка используется зависимость

Rk = rK IF,

где гк — контактное сопротивление, Ом; Р — давление в контакте, МПа; z — показатель степени (для стали и сплавов на основе железа z = 0,75).

49