Математическое моделирование процесса диффузии антифрикционного материала при ультразвуковой обработке

Source abstract

В статье представлена разработанная математическая модель процесса диффузии антифрикционного материала (на примере графита) в поверхностный слой металлической заготовки при ультразвуковой обработке. В отличие от традиционных подходов, основанных на втором законе Фика для объемной диффузии, предложенная модель базируется на уравнении Фишера, описывающем межзеренную диффузию в условиях интенсивной пластической деформации и формирования нанокристаллической структуры. Получено аналитическое выражение для расчета глубины проникновения покрытия, учитывающее температуру в зоне контакта, энергию активации диффузии, геометрию пятна контакта, частоту ультразвуковых колебаний, параметры режима обработки (частота вращения заготовки, поперечная подача) и свойства материала. Реализованы численные методы суммирования вкладов отдельных ударов индентора с учетом импульсного характера нагружения и накопления тепла. Проведен анализ влияния технологических параметров на толщину формируемого слоя: установлено, что снижение частоты вращения и поперечной подачи увеличивает глубину диффузии за счет роста числа перекрытий контактных пятен и времени воздействия на каждую точку поверхности. Результаты моделирования позволяют прогнозировать толщину антифрикционного слоя и оптимизировать режимы ультразвукового упрочнения для обеспечения заданных триботехнических характеристик. Модель может быть использована при проектировании технологических процессов нанесения покрытий в машиностроении. This paper presents a mathematical model of antifriction material (graphite) diffusion into the surface layer of a metal workpiece during ultrasonic machining. Unlike classical approaches based on Fick’s second law for bulk diffusion, the proposed model is founded on the Fisher equation, which describes grain boundary diffusion under conditions of intense plastic deformation and nanocrystalline structure formation. An analytical expression for calculating the penetration depth of the coating has been derived, taking into account the contact zone temperature, activation energy of diffusion, contact spot geometry, ultrasonic vibration frequency, machining parameters (workpiece rotation speed, transverse feed), and material properties. Numerical summation methods have been implemented to account for the impulsive nature of loading and heat accumulation from individual indenter impacts. The influence of technological parameters on the thickness of the formed layer has been analyzed: it has been established that reducing the rotation speed and transverse feed increases the diffusion depth due to an increase in the number of overlapping contact spots and exposure time per surface point. Simulation results enable prediction of the antifriction layer thickness and optimization of ultrasonic hardening modes to achieve desired tribological characteristics. The model can be applied in designing coating deposition processes in mechanical engineering.