Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важных направлений повышения качества и точности обработки материалов в современном производстве являются контроль и прогнозирование износа инструмента и оценка шероховатости обрабатываемой поверхности. Однако, как показал анализ результатов исследований, существующие методы не позволяют комплексно контролировать износ электрода-инструмента и шероховатость в процессе электроимпульсной обработки материалов, а следовательно, выходные параметры с высокой степенью достоверности, в режиме реального времени.
Электроимпульсная обработка (ЭИО) в реальных условиях представляет собой сложный физический процесс, который носит нелинейный, стохастический характер. Экспериментальные исследования этого процесса в значительной степени затруднены вследствие сложности внедрения измерительных приборов непосредственно в зону обработки. Физико-химические процессы, протекающие при ЭИО обработке, очень сложны и скоротечны, поэтому возникают трудности при их теоретическом описании. Широкое использование средств вычислительной техники в современном станочном оборудовании позволяет управлять выходными параметрами процесса обработки на основе фундаментальных подходов к исследованию сложных систем. К числу таких подходов к исследованию сложных систем следует отнести теорию синергетики и её направление нелинейную динамику. Критерии нелинейной динамики позволяют судить об износе электрода-инструмента и шероховатости обработанной поверхности в процессе ЭИО, что позволяет проводить прогнозирование износа инструмента и оценки шероховатости в режиме реального времени, что в свою очередь позволяет повысить качество обрабатываемой поверхности.
В этой связи обеспечение качества ЭИО, оценка износа инструмента и шероховатости количественными характеристиками в режиме реального времени, исследование взаимосвязи износа инструмента и шероховатости с параметрами ЭИО, прогнозирование износа и шероховатости на основе критериев нелинейной динамики, корректировка процесса обработки с целью обеспечения качества является актуальной задачей современного машиностроения.
В настоящее время ЭИО в отечественном машиностроении приобретает все более широкое использование. Это обусловлено современными тенденциями развития обрабатывающей промышленности. На сегодняшний день ЭИО стала средством для получения недорогой высокоточной продукции в инструментальном и основном производстве.
Актуальность работы подтверждается выполнением ее в рамках НИР Г-27/10 «Физические принципы повышения надежности и устойчивости процессов механической и электрофизической обработки на основе квантово-механических моделей на микро- и наноуровнях».
Цель работы: повышение качества электроимпульсной обработки путем прогнозирования износа электрод-инструмента и шероховатости обработанной поверхности на основе подходов нелинейной динамики.
Для реализации указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
изучить возможность использования критериев нелинейной динамики для прогнозирования износа электрод-инструмента и оценки шероховатости обработанной поверхности, установить их зависимости от условий и параметров обработки;
-
выявить и дать объяснение диагностирующим признакам для контроля износа электрод-инструмента и параметров шероховатости обработанной поверхности на основе критериев нелинейной динамики;
-
определить и исследовать источники акустической эмиссии (АЭ) при ЭИО и параметры нелинейной динамики сигнала акустической эмиссии при электроимпульсной обработке;
-
установить и объяснить зависимости между величинами износа электрод-инструмента, шероховатостью поверхности и фрактальной размерностью параметров сигнала АЭ при регистрации сигнала;
-
разработать алгоритм прогнозирования износа электрод-инструмента и шероховатости обработанной поверхности;
-
оценить адекватность принятых моделей электроимпульсной обработки при помощи разработанной имитационной сеточной модели.
Методы исследования сочетают теоретический анализ и физический эксперимент. В теоретических исследованиях применялись методы теории цифровой обработки сигналов, технологии машиностроения, теории детерминированного хаоса, теории фракталов и теоретической нелинейной динамики. Экспериментальные исследования проводились по разработанной методике с помощью снятия и измерения параметров акустического сигнала на специально разработанных стендах в лабораторных условиях и в производственных условиях на технологическом оборудовании. Для обработки результатов экспериментов использовались статистические методы планирования.
Объекты исследования: процесс электроимпульсной обработки; электрод-инструмента для обработки металлов в процессе ЭИО материалов, применяемых в авиа-, судо-, и машиностроении; поверхность детали, обработанная электроимпульсным методом.
Предметы исследования: износ электрод-инструмента и шероховатость обработанной поверхности. Взаимосвязи между выходными качественными параметрами (износ применяемого инструмента, шероховатость) ЭИО, режимами электроимпульсной обработки и информационными параметрами нелинейной динамики (фрактальная размерность) через диагностические признаки сигнала АЭ, характеризующие физические закономерности процесса ЭИО. Взаимосвязи между износом применяемого инструмента, шероховатости обработанной поверхности при ЭИО, с одной стороны, параметрами режимов обработки - с другой, и критериями нелинейной динамики: фрактальной размерностью и размерностью аттрактора сигнала - с третьей.
Область исследований. Содержание диссертации соответствует п.2 «Теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействий» паспорта научной специальности 05.02.07 – «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» (технические науки).
Научная новизна работы состоит:
-
в разработке нового подхода к исследованию стохастического процесса электроимпульсной обработки с помощью критериев нелинейной динамики сигнала акустической эмиссии, регистрируемого в процессе обработки для прогнозирования износа инструмента и шероховатости обработанной поверхности;
-
в установлении корреляционных связей между шероховатостью обработанной поверхности, износом электрод-инструмента, с одной стороны, и критериями нелинейной динамики: фрактальной размерности сигнала акустической эмиссии из межэлектродного промежутка и размерность аттрактора, восстановленного по сигналу акустической эмиссии - с другой;
-
в установлении характера зависимостей шероховатости обработанной поверхности, износа электрод-инструмента и фрактальной размерности реконструированного по сигналу акустической эмиссии аттрактора от частоты следования рабочих импульсов, скважности и количества гребней в импульсе (получен комплекс эмпирических уравнений на основе факторного планирования эксперимента).
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
рекомендации по практическому использованию прогнозирования износа электрод-инструмента и качества обработанных поверхностей на основе измерения сигналов АЭ на электроэрозионных копировально-прошивочных станках с ЧПУ, с целью уменьшения износа инструмента, повышению точности обработки, уменьшению количества деталей, отбракованных по параметру шероховатости, и повышения производительности электроимпульсной обработки на 10-12 %;
-
разработан комплекс программ для выбора оптимальных режимов ЭИО для различных материалов, позволяющий моделировать износ применяемого инструмента в процессе обработки методом реконструкции аттракторов по акустическим сигналам и профилограммам шероховатости обработанной поверхности с целью выявления корреляции между характером износа инструмента и качеством получаемой поверхности;
-
результаты теоретических и экспериментальных исследований по контролю износа электрод-инструмента и шероховатости обработанной поверхности внедрены в филиале ОАО «АХК «Сухой» «КнААЗ им. Ю.А. Гагарина», в учебном процессе ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», на кафедре «Технология машиностроения», «Машины и аппараты химических производств» и в рамках выполнения НИР Г-27/10 «Физические принципы повышения надежности и устойчивости процессов механической и электрофизической обработки на основе квантово-механических моделей на микро- и наноуровнях», выполняемому ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» по заказу Минобрнауки РФ (приложение 2).
Положения, выносимые на защиту:
-
полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований как в производственных, так и в лабораторных условиях, при ЭИО различных конструкционных материалов, установленные основные закономерности между входными и выходными параметрами электроимпульсной обработки, в частности скорость износа электрод-инструмента, шероховатость обработанной поверхности, производительность обработки от частоты следования импульсов, скважности;
-
установленные зависимости величины износа электрод-инструмента (ЭИ) и шероховатости обработанной поверхности от управляющих параметров ЭИО материалов, широко применяемых в машиностроении;
-
установленные связи величины износа электрод-инструмента и шероховатости обработанной поверхности от критериев нелинейной динамики, в частности фрактальной размерности сигнала АЭ, регистрируемой в процессе обработки, в режиме реального времени. С увеличением ЭИ и шероховатости возрастает фрактальная размерность сигнала АЭ;
-
методика контроля и прогнозирования износа электрод-инструмента и шероховатости поверхности на основе критериев нелинейной динамики по сигналам акустической эмиссии, регистрируемых в процессе обработки.
Личный вклад автора: постановка проблемы в целом, постановка задач аналитических и экспериментальных исследований, непосредственно проведение экспериментов, обработка результатов и их интерпретация, разработка и верификация алгоритмов, используемых в зарегистрированных программных продуктах; разработка рекомендаций и методик прогнозирования износа электрод-инструмента и шероховатости обработанной поверхности при ЭИО в режиме реального времени.
Апробация результатов исследования. Основные положения работы были представлены, докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов и аспирантов КнАГТУ, г. Комсомольск-на-Амуре, в период 2007–2012 гг.; на международной образовательной конференции «National Instruments», г. Москва, 2008 г.; на международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов», г. Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.; на XII краевом конкурсе-конференции молодых учёных и аспирантов, г. Хабаровск, 2010 г.; на всероссийской молодежной конференции МТИ-2011. г. Москва, СТАНКИН, 2011 г.; на международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении», г. Пенза, 2011 г.; на российской научно-практической конференции «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения», г. Комсомольск-на-Амуре, 2011 г.; на IX Всероссийской научно-технической конференции. ДНДС-2011, г. Чебоксары, 2011 г.; на международной научно-практической конференции, г. Тамбов, 2011 г.; на 13 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technology, Harbin, China, 2012 г.
Публикации. Основное содержание диссертации, полученные результаты, выводы и рекомендации опубликованы в 16 работах, в том числе 5 – в журналах, входящих в перечень ВАК, 3 – авторские свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, 6 – в материалах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, заключения, библиографического списка использованной литературы, состоящего из 102 наименований, и 2 приложений. Основная часть работы изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 16 таблиц, два приложения на 14 страницах.
