Сергей Петрович Глушко, кандидат технических наук, доцент, кафедра «Инженерии систем управления, материалов и технологий в машиностроении»
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2
Sergey P. Glushko, Cand.Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Engineering of Control Systems, Materials and Technologies in Mechanical Engineering
2, Moskovskaya Str., Krasnodar, 350000
Introduction. The technology of centrifugal bimetallization using an independent axisymmetric electric arc is becoming increasingly important due to the high need to improve the quality of bimetallic compositions used in the manufacture of plain bearings, cylinder barrels for hydraulic units, and friction pair elements in internal combustion engines. The existing research in this area emphasizes the need for a more in-depth study of the features of thermal processes associated with this technology. In modern scientific literature, issues related to temperature control at the interface of materials are not fully disclosed, and the existing gap in the concept of the behavior of bimetallic compounds under heating conditions hinders the implementation of this technology in industrial production. The objective of this study is to conduct analytical modeling of a heat source in the form of an axisymmetric electric arc to determine the heat concentration coefficient and reduce the proportion of experimental data in the thermal process model, which will increase its versatility. The tasks arising from the stated goal are comparison of the results of calculating the effective heat flux density from two different expressions (using trigonometric and exponential functions), as well as evaluation of the distribution of the heat flux of an axisymmetric arc along the inner surface of the sleeves (this is required to establish the relationship between the temperature of the outer surface of the welded sleeve and the temperature at the interface between the materials).
Materials and Methods. Direct control of the temperature at the interface between the base material and the deposited layer is difficult, but it is possible to carry out indirect control using the temperature of the outer surface. To determine the relationship between the temperature of the outer surface of the deposited sleeve (billet) and the temperature on its inner surface, i.e., at the interface between the base material and the deposited layer, a heat source was modeled, the heat flux distribution of an axisymmetric electric arc along the inner surface of the sleeve was estimated, and an analytical expression was obtained to determine the heat concentration coefficient.
Results. In the course of the work, an analytical expression was obtained for determining the coefficient of heat concentration, k = 0.945 / R1². It was required for calculating the electric arc parameters considering the distribution of the effective thermal power in the hot spot according to an exponential dependence. To simulate the heat source of the facing process (bimetallization) of the inner surface of steel sleeves with heating by an independent axisymmetric electric arc, the results of calculating the effective heat flux density were compared using two expressions: q = q0 ∙ cos³φ and q = q0 ∙ e–k· r²п. This comparison showed that for calculating temperature fields during facing of the inner surface of steel sleeves (billets) with metal alloys under heating by an independent axisymmetric arc, it was possible to use the analytical exponential form of representation of the heat source.
Discussion and Conclusion. Modeling thermal processes of the centrifugal bimetallization using simplified schemes of uniform distribution of heat flow q = const on the entire free surface of the deposited layer, which simulates the spread of heat of an electric arc, requires the introduction of correction factors and a series of experiments to determine them. In this case, the description of the thermal process in the thermal process model contains a high proportion of experimental data and correction factors. Therefore, in order to exclude most of the experimental components when modeling the heat source and heat flow distribution of the facing process (bimetallization) of the inner surface of steel sleeves under heating by an independent axisymmetric electric arc, the author in this paper proposes an analytical solution for calculating the effective heat flow density in the form of an exponential function. This function allows determining the heat concentration coefficient of an independent axisymmetric electric arc during the facing process, which is required to increase the accuracy of calculating the temperature field of the bimetallized sleeve and improve the temperature control of the thermal parameters of the technological process.
Введение. Технология центробежной биметаллизации с применением независимой осесимметричной электрической дуги становится всё более значимой ввиду высокой потребности в улучшении качества биметаллических композиций, используемых в производстве подшипников скольжения, гильз для цилиндров гидромашин и элементов пар трения в двигателях внутреннего сгорания. Имеющиеся исследования в этой области подчеркивают необходимость более глубокого изучения особенностей тепловых процессов, связанных с этой технологией. В современной научной литературе недостаточно полно раскрыты вопросы, касающиеся контроля температуры на границе раздела материалов, и имеющийся пробел в представлении о поведении биметаллических соединений в условиях нагрева тормозит внедрение этой технологии в промышленное производство. Цель данного исследования — проведение аналитического моделирования теплового источника в виде осесимметричной электрической дуги для определения коэффициента сосредоточенности тепла и снижения доли экспериментальных данных в модели теплового процесса, что позволит повысить ее универсальность. Задачи, вытекающие из поставленной цели, заключаются в сравнении результатов расчета эффективной плотности теплового потока по двум различным выражениям (с использованием тригонометрической и экспоненциальной функций), а также в оценке распределения теплового потока осесимметричной дуги по внутренней поверхности втулок (это необходимо для установления зависимости между температурой наружной поверхности наплавляемой втулки и температурой на границе раздела материалов).
Материалы и методы. Прямой контроль температуры на границе раздела материала основы и наплавляемого слоя является затруднительным, однако возможно осуществить косвенный контроль с помощью температуры наружной поверхности. Для определения зависимости между температурой наружной поверхности наплавляемой втулки (заготовки) и температурой на её внутренней поверхности, то есть на границе раздела материала основы и наплавляемого слоя, были проведены моделирование теплового источника и оценка распределения теплового потока осесимметричной электрической дуги по внутренней поверхности втулки.
Результаты исследования. В ходе работы получено аналитическое выражение для определения коэффициента сосредоточенности тепла, k = 0,945 / R²1, который необходим для расчёта параметров электрической дуги с учётом распределения эффективной тепловой мощности в пятне нагрева по экспоненциальной зависимости. Для моделирования теплового источника процесса наплавки (биметаллизации) внутренней поверхности стальных втулок с нагревом независимой осесимметричной электрической дугой были сравнены результаты расчета эффективной плотности теплового потока по двум выражениям: q = q0 ∙ cos³φ и q = q0 ∙ e–k· r²п. Это сравнение показало, что для расчетов температурных полей при наплавке внутренней поверхности стальных втулок (заготовок) металлическими сплавами с нагревом независимой осесимметричной дугой можно использовать аналитическую экспоненциальную форму представления теплового источника.
Обсуждение и заключение. Моделирование тепловых процессов центробежной биметаллизации с применением упрощенных схем равномерного распределения теплового потока q = const на всей свободной поверхности наплавляемого слоя, что имитирует распространение тепла электрической дуги, требует введения корректирующих коэффициентов и проведения серии экспериментов для их определения. В этом случае в описании теплового процесса в модели тепловых процессов высока доля экспериментальных данных и корректирующих коэффициентов. Поэтому для исключения большей части экспериментальных составляющих при моделировании теплового источника и распределения теплового потока процесса наплавки (биметаллизации) внутренней поверхности стальных втулок с нагревом независимой осесимметричной электрической дугой автором в данной работе предложено аналитическое решение для расчета эффективной плотности теплового потока в виде экспоненциальной функции, которая позволяет определить коэффициент сосредоточенности тепла независимой осесимметричной электрической дуги в процессе наплавки, который необходим для повышения точности расчета температурного поля биметаллизируемой втулки и улучшения контроля температуры тепловых параметров технологического процесса.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.