Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса технологического обеспечения коррозионной стойкости деталей методом микродугового оксидирования 14
1.1 Нанесение покрытий - эффективный метод повышения коррозионной стойкости деталей машин 14
1.2 Анализ технологических возможностей метода микродугового оксидирования для обеспечения коррозионной стойкости деталей машин 26
1.2.1 Сущность метода и особенности технологии получения покрытий микродуговым оксидированием 26
1.2.2 Современные представления о физико-химических
моделях процесса микродугового оксидирования 39
1.2.3 Анализ влияния управляющих технологических факторов на параметры качества и коррозионную стойкость МДО-покрытий 47
1.2.4 Анализ влияния комбинированной обработки на коррозионную стойкость МДО-покрытий 60
1.3 Выводы по 1 главе. Цель и задачи исследований 66
Глава 2. Разработка структурной и физических моделей формирования и коррозионного разрушения тонких МДО-покрытий 69
2.1 Функциональная модель технологического обеспечения коррозионной стойкости тонких покрытий на основе применения метода микродугового оксидирования 69
2.2 Физическая модель формирования тонкого МДО-покрытия 82
2.3 Модель тонких МДО-покрытий 86
2.4 Физическая модель коррозионного разрушения тонкого МДО-покрытия 89
2.5 Исследование закономерностей коррозионного разрушения тонких МДО-покрытий на базе метода энтропийного анализа 94
2.6 Выводы по 2 главе 108
Глава 3. Методика проведения экспериментальных исследований взаимосвязей параметров качества и режимов нанесения тонких МДО-покрытий с их коррозионной стойкостью 110
3.1 Общая программа экспериментальных исследований 110
3.2 Материалы и средства технологического оснащения экспериментальных исследований 112
3.3 Планы экспериментальных исследований 123
3.4 Методики статистической обработки экспериментальных данных и выполнения энтропийного анализа 133
3.5 Методика проведения экспериментальных исследований качества поверхностного слоя деталей 148
3.6 Методика исследования коррозионной стойкости образцов 152
3.6.1 Методика исследования коррозионной стойкости образцов по изменению внешнего вида 155
3.6.2 Методика исследования коррозионной стойкости образцов методом капли 158
3.6.3 Методика исследования коррозионной стойкости образцов по потере массы 158
3.7 Выводы по 3 главе 159
Глава 4. Экспериментальные исследования влияния управляющих технологических факторов на качество и коррозионную стойкость тонких МДО-покрытий 161
4.1 Экспериментальные исследования качества тонких МДО-покрытий 161
4.1.1 Анализ состава и структуры МДО-покрытий 161
4.1.2 Анализ степени наполнения покрытий 167
4.2 Экспериментальные исследования толщины и коррозионной стойкости МДО-покрытий 169
4.2.1 Экспериментальные исследования влияния токовых параметров процесса на толщину и коррозионную стойкость МДО-покрытий 169
4.2.2 Экспериментальные исследования влияния времени оксидирования на толщину и коррозионную стойкость МДО-покрытий 206
4.2.3 Экспериментальные исследования влияния состава и концентрации электролита на толщину и коррозионную стойкость МДО-покрытий 209
4.2.4 Экспериментальные исследования влияния технологии дополнительной обработки МДО-покрытий на коррозионную стойкость 212
4.3 Выводы по 4 главе 219
Глава 5. Инженерная реализация результатов исследования 222
5.1 Структурная модель синтеза технологического процесса микродугового оксидирования 222
5.2 Практическое применение метода микродугового оксидирования для повышения коррозионной стойкости деталей машин 227
5.2.1 Цех комбинированного упрочнения деталей машин деформационными и физико-химическими методами 227
5.2.2 Участок микродугового оксидирования деталей 231
5.3 Выводы по 5 главе 237
Основные результаты и выводы 239
Список литературы
- Анализ технологических возможностей метода микродугового оксидирования для обеспечения коррозионной стойкости деталей машин
- Физическая модель формирования тонкого МДО-покрытия
- Материалы и средства технологического оснащения экспериментальных исследований
- Анализ степени наполнения покрытий
Введение к работе
Актуальной задачей современного машиностроения является обеспечение коррозионной стойкости деталей машин, которая в существенной мере определяется качеством поверхностного слоя. Так по оценкам специалистов, общие годовые затраты на борьбу с коррозией в развитых странах оцениваются в 2 - 4% от валового национального продукта каждой страны и достигают в год сотен миллионов долларов.
Решение такой задачи должно базироваться, с одной стороны, на учете достижений учений о коррозии и, с другой стороны, отыскании новых материалов и методов обработки, направленных на повышение коррозионной стойкости.
К числу таких материалов относят алюминиевые сплавы, которые обладают высокой удельной прочностью и хорошей обрабатываемостью. Однако невысокие поверхностная твердость и износостойкость, а в ряде случаев и недостаточная коррозионная стойкость ограничивают диапазон применения алюминиевых сплавов в промышленности.
К числу методов, позволяющих существенно повысить широкий спектр эксплуатационных свойств алюминиевых сплавов, наряду с электрохимической защитой, нанесением металлических, лакокрасочных покрытий и другими методами, относят метод микродугового оксидирования. Микродуговое оксидирование позволяет создавать на поверхности изделия керамические многофункциональные покрытия, сочетающие коррозионную, эрозионную, химическую, диэлектрическую стойкость, износостойкость и теплостойкость. Основными преимуществами метода микродугового оксидирования являются: простота технологического оборудования и технологии, применение экологически чистых и неагрессивных электролитов, возможность нанесения покрытий на сложнопрофильные изделия и др. Исследования метода микродугового оксидирования, проведенные В.М. Смелянским, А.Л. Ерохиным, В.И. Черненко, П.С. Гордиенко, И.А. Казанцевым, И.В. Суминовым и другими показали возможность многократного повышения коррозионной стойкости деталей машин.
Известно, что на коррозионную стойкость МДО-покрытий оказывают влияние управляющие технологические факторы: токовые режимы, время нанесения покрытия, состав и концентрация электролита и др. При увеличении времени обработки увеличивается толщина покрытия, и, следовательно, увеличивается коррозионная стойкость. Однако получение толстых покрытий в массовом производстве зачастую оказывается технически необоснованным и нерентабельным. В связи с этим возникает задача получения тонких покрытий (толщиной 10-15 мкм), обладающих достаточной коррозионной стойкостью и экономичностью. Известным фактом является то, что скорость роста покрытия увеличивается с увеличением плотности тока, в связи с тем, что быстрее наступает стабилизация рабочего напряжения на образцах, характеризующая переход предварительных стадий процесса МДО, в рабочую стадию. Однако увеличение плотности тока при большой продолжительности МДО приводит к увеличению мощности микродуговых разрядов, разрыхлению покрытия и, как следствие этого, снижению его коррозионной стойкости.
Несмотря на значительный объем проведенных ранее экспериментов, в научной литературе отсутствуют результаты систематических исследований закономерностей коррозионного разрушения тонких МДО-покрытий в зависимости от состояния поверхностного слоя и управляющих технологических факторов процесса микродугового оксидирования.
Установление закономерностей формирования и коррозионного разрушения тонких МДО-покрытий позволяет существенно повысить ресурс деталей при эксплуатации в различных условиях (в агрессивных средах, в атмосфере). Поэтому целью данной диссертационной работы является повышение коррозионной стойкости деталей из алюминиевых сплавов на основе применения метода микродугового оксидирования и раскрытия закономерностей формирования и коррозионного разрушения тонких покрытий.
Для достижения поставленной цели была разработана функциональная модель технологического обеспечения коррозионной стойкости на основе применения метода микродугового оксидирования, представленная в виде информационной системы знаний и закономерностей. Данная модель позволила выявить функциональные связи, в частности, коррозионной стойкости с управляющими факторами процесса микродугового оксидирования. Наряду с этим модель позволила выявить недостающие для анализа и проведения технологических расчетов связи с параметрами состояния поверхностного слоя покрытий.
Развита модель формирования тонких покрытий, учитывающая малую продолжительность и высокую интенсивность процесса микродугового оксидирования. Ключевой особенностью этой модели являются выявленные стадии процесса формирования и закономерности роста, а также структурное и физико-механическое состояние тонкого покрытия.
Выполненные исследования позволили всесторонне изучить и развить структурную модель тонкого МДО-покрытия. Показано, что тонкое МДО-покрытие состоит из трех слоев: переходного, рабочего и технологического. Установлено, что в зависимости от режимов нанесения МДО-покрытий они могут обладать различной толщиной, в них могут присутствовать различного рода дефекты (поры и трещины).
Разработана модель коррозионного разрушения, в основу которой положены представления, описывающие закономерности протекания коррозионных процессов в зависимости от комплекса физико-химических свойств тонких МДО-покрытий.
Разработанные оригинальные методики и средства технологического оснащения в виде источника технологического тока, гальванической ванны, комплекса специальных приспособлений и поста коррозионных испытаний, позволили провести экспериментальные исследования зависимостей параметров качества поверхностного слоя и коррозионной стойкости тонких МДО-покрытий от управляющих технологических факторов.
Получены зависимости влияния управляющих технологических факторов на толщину и коррозионную стойкость тонких МДО-покрытий при использовании аппаратов теории вероятностей, корреляционного, регрессионного, кластерного, факторного и других видов анализа. Однако, несмотря на большой объем экспериментальных данных при использовании таких мощных статистических аппаратов как кластерный и факторный анализ не удалось установить определенные стабильные закономерности влияния данных факторов на толщину и коррозионную стойкость покрытий. Большое количество варьируемых факторов, комплексно влияющих на эксплуатационные свойства деталей машин, обуславливают невозможность построения общих моделей методами традиционного регрессионного анализа.
Для количественного описания процесса коррозионного разрушения и определения влияния управляющих технологических факторов на толщину и коррозионную стойкость покрытий в работе применен метод энтропийного анализа, позволяющий оценивать комплексное влияние факторов, имеющих различную размерность и физический смысл.
Проведенный комплекс экспериментальных исследований позволил установить зависимости коррозионной стойкости тонких покрытий от его физико-механического и структурного состояния, определяемого управляющими технологическими факторами процесса нанесения МДО-покрытий. Получены математические модели, позволяющие с достаточной степенью точности прогнозировать коррозионную стойкость МДО-покрытий при различных режимах их нанесения.
Результаты работы положены в основу методики проектирования тех 12 нологического процесса микродугового оксидирования, обеспечивающего высокую коррозионную стойкость деталей. В основу методики положена разработанная модель синтеза технологического процесса, ключевой особенностью которой является использование физических моделей и математических зависимостей коррозионной стойкости от качества тонких покрытий и управляющих технологических факторов процесса микродугового оксидирования.
Результаты научных исследований приняты к внедрению в инновационном научно-производственном центре «ИННОТЕХ» и Кузбасском региональном инновационном центре «КузбассРИЦ» в виде математических и технологических моделей, комплекта конструкторских и технологических документов, средств технологического оснащения, методик исследования качества поверхностного слоя и коррозионной стойкости, методики проектирования технологических процессов микродугового оксидирования, обеспечивающих заданную коррозионную стойкость деталей машин с ожидаемым годовым экономическим эффектом 354 090 руб.
Представленные в диссертационной работе исследования выполнялись в рамках гранта для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений (№А 03-3.18-545) «Исследование закономерностей формирования тонких коррозионно-стойких покрытий на алюминиевом сплаве методом микродугового оксидирования» в период с 2003 по 2004 г.г.; подпрограммы 205 «Новые авиационные, космические и транспортные технологии» (регистрационный номер проекта 01.200.110.759) научно-технической программы Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» в период с 2002 по 2004 г.г.
Автор глубоко признателен известному ученому-технологу, доктору технических наук, профессору, засл. деятелю науки РФ Смелянскому Вадиму Михайловичу, определившему тематику научных исследований в области микродугового оксидирования тонких покрытий. В соответствии с этим перспективным направлением в МГТУ «МАМИ» создана лаборатория «Упрочняющие технологии», разработаны действующие установки и приборы для реализации процессов нанесения многофункциональных покрытий, проведен комплекс аналитических и экспериментальных исследований в рамках грантов и программ Минобразования России по приоритетным направлениям развития науки и техники.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору В.Ю. Блюменштейну за многолетнее и плодотворное научное сотрудничество.
Автор выражает благодарность зам. директора по научной работе Института угля и углехимии Сибирского отделения академии наук РФ доктору технических наук, профессору А.Б. Логову за методическое и организационное содействие, что предопределило выбор математического аппарата метода энтропийного анализа процесса микродугового оксидирования.
Автор глубоко признателен зав. кафедрой «Технология машиностроения» канд. техн. наук профессору Б.В. Шандрову, сотрудникам этой кафедры за моральную поддержку и активное содействие в организации научно-исследовательских работ.
Анализ технологических возможностей метода микродугового оксидирования для обеспечения коррозионной стойкости деталей машин
В последнее время большое внимание российских и зарубежных исследователей привлекает метод МДО, являющийся разновидностью метода плазменной электролитической анодной обработки металлов и сплавов. Началом современного этапа исследования метода нанесения МДО-покрытий и его практического применения можно считать 70-е годы 20-го века. Следует отметить работы американских ученых S.D. Brown, Т. В. Van, G.P. Wirtz, российских ученых - группы исследователей под руководством Г.А. Маркова, Л.А. Снежко и В.И. Черненко, П.С. Гордиенко, В.А. Федорова и Л.С. Сааки-ян, И.В. Суминова, А.В. Эпельфельда, японских ученых М. Yamada, I. Mil, немецких ученых —К.-Н. Dittrich, W. Krysmann, P. Kurze и других [28].
МДО — экологически чистая технология электроплазмохимического преобразования ПС деталей из вентильных металлов и их сплавов в высокотемпературные модификации оксидов различных фаз. Вентильными называются металлы, на которых оксидные пленки, сформированные электрохимическим путем, обладают униполярной или ассиметричной проводимостью в системе металл-оксид-электролит, причем положительный потенциал на металле с оксидной пленкой соответствует запирающему или обратному направлению.
Сущность МДО заключается в том, что при пропускании через электролит переменного тока на поверхности обрабатываемой детали появляются микродуговые разряды. В каналах разрядов происходят плазмохимические реакции, в ходе которых ПС детали преобразуется в высокотемпературные модификации оксидов алюминия преимущественно а- и у-фаз. МДО позволяет создавать на поверхности изделия керамические многофункциональные покрытия со свойствами, сочетающими коррозионную, эрозионную, химическую, диэлектрическую стойкость, износостойкость и теплостойкость.
Основные преимущества метода МДО [8, 28-31]: простота технологического оборудования, возможность полной автоматизации процесса; проведение процесса в экологически чистых и неагрессивных электролитах; дешевизна и доступность химических реактивов и материалов; отсутствие специальных требований к подготовке поверхности перед нанесением покрытий (приводит к существенному сокращению производственных площадей); возможность нанесения покрытий на сложнопрофильные изделия, внутренние поверхности и скрытые полости; низкая пористость МДО-покрытий.
Все эти преимущества предопределяют перспективность метода МДО для промышленности. МДО-покрытия удовлетворяют всем требованиям к перспективным материалам, приведенным выше.
Недостатком процесса являются высокая энергоемкость метода МДО, отсутствие экспериментальных данных для прогнозирования необходимой минимальной длительности МДО алюминиевых сплавов в различных электролитах при получении МДО-покрытий с заданными функциональными свойствами.
Основные технические характеристики получаемых покрытий приведены в табл. 1.2. Таблица 1.2 Основные технические характеристики МДО-покрытий
К общим закономерностям оксидирования относят следующее [32]: для образования и роста покрытий необходимо предварительно сформировать слои, обладающие диэлектрическими или вентильными свойствами; уровень напряженности электрического поля в покрытии обеспечивается формированием в структуре оксидного слоя либо зоны объемного заряда, либо слоя диэлектрика в объеме, либо на поверхности покрытия; рост оксидного слоя протекает в 4 стадии: анодное оксидирование в безыскровом режиме, искровое оксидирование, МДО, дуговое оксидирование [28 - 30,33 - 39]; изменение химического состава покрытий может быть достигнуто как путем легирования основы, так и путем введения в электролит растворимых или нерастворимых добавок.
Одной из ключевых характеристик МДО является формовочная кривая, которая характеризует зависимость напряжения на аноде от времени при фиксированном значении тока в цепи. Кривая зависимости напряжения на образце отражает изменение проводимости цепи и служит характеристикой скорости протекания электрохимических превращений на аноде (рис. 1.5). и, в иДР
На стадии обычного классического анодирования электролит взаимодействует с естественной оксидной пленкой. Анодирование сопровождается гальванолюминесценцией и ростом толщины пленки (стадия I, рис. 1.5). Для этой стадии характерен резкий подъем напряжения, соответствующий росту электросопротивления пленки и уменьшению свободной металлической поверхности. При дальнейшем росте напряжения в местах сосредоточения дефектов возникает пробой, и процесс переходит во вторую стадию — искрения (стадия II, рис. 1.5). При искровом режиме на поверхности происходит равномерное свечение мелких перемещающихся искр. При повышении разности потенциалов выше напряжения искрения и росте толщины пленки процесс переходит в третью стадию - стадию МДО (стадия III, рис. 1.5). Микродуговой разряд длится от долей до нескольких секунд, пока в локальной зоне разряда пробивное напряжение пленки не достигнет потенциала анода вследствие ее прироста.
Физическая модель формирования тонкого МДО-покрытия
Как было указано выше, для направленного управления КС тонких МДО-покрытий необходимо создание модели КР, учитывающей комплекс физико-химических свойств и условия их эксплуатации. Для формирования модели МДО-покрытия необходимо понимание явлений, происходящих при их нанесении, что означает построение физической модели их формирования.
Подробно процесс МДО и модели формирования МДО-покрытий были рассмотрены в 1-ой главе. Ввиду значительной сложности физико-химических процессов до сих пор отсутствует общепринятая модель формирования МДО-покрытий.
В проводимых ранее научных и экспериментальных исследованиях д.т.н., проф. В.М. Смелянским и к.т.н. О.Ю. Герций была разработана физическая модель формирования толстых МДО-покрытий [29]. Схема стадий процесса МДО представлена на рис. 2.8. Автор считает, что формирование покрытий в режиме МДО включает несколько стадий, входящих в состав трех областей: предварительного анодирования, непосредственно МДО и разрушения покрытия.
Область анодирования включает в себя следующие стадии: подготовка поверхности, образование пассивного слоя, образование частично окисленного слоя, образование анодной пленки. В этой области протекают процессы адсорбирования и хемосорбирования молекул газа и электролита, образование барьерной пленки, процессы растворения и образования оксида, восстановительно-окислительные реакции с участием ионов электролита. Химические процессы, по мнению автора, тесно связаны с физическим процессом диффузионного проникновения электролита в обрабатываемый материал.
В области МДО кроме окислительно-восстановительных реакций протекают процессы термической модификации фаз аморфного алюминия в у — АІ2О3, У — АІ2О3 в а — АІ2О3 и «приваривания» окислов алюминия.
Область разрушения представляет разрушение покрытия под действием теплового пробоя.
На наш взгляд, ключевым моментом при создании физической модели является рассмотрение тонких МДО-покрытий, получаемых при малой продолжительности и высокой интенсивности процесса МДО.
На основании данной модели была выдвинута гипотеза, что для получения тонких МДО-покрытий, обладающих оптимальным сочетанием «КС и экономичности», не обязательно осуществлять весь цикл МДО, а можно остановить процесс на некоторой стадии, получив тонкие МДО-покрытия с высокими эксплуатационными характеристиками. Как было отмечено выше, такое оптимальное сочетание можно получить при повышении плотности тока при значи тельном снижении времени нанесения МДО-покрытий. Для подтверждения этой гипотезы была развита представленная выше модель в контексте формирования тонких МДО-покрытий.
Установлено, что на начальном этапе процесса МДО при пропускании электрического тока на гладкой поверхности алюминиевого сплава за 2 - 3 с формируется беспористая барьерная пленка. После ее формирования на ней начинает расти пористый слой; при этом в течение 2 мин напряженность электрического поля на границе раздела фаз резко возрастает, и при превышении значений диэлектрической прочности пленки происходит ее пробой. В связи с тем, что наиболее вероятно возникновение пробоя в зонах минимальной электрической прочности покрытия, такими зонами являются поры и трещины. В месте пробоя из-за сильного разогрева газа в разрядном канале происходит прогрев близлежащего участка покрытия, которое обладает развитой структурой мик-ропор. Канал, в котором горит разряд, в течение какого-то времени является доминирующим в этой разогретой зоне. Термическое активирование соседних участков через некоторое время способствует переходу разряда к другому по-ровому каналу. Во время горения разряда часть металла из этой области (из пор) выбрасывается на поверхность, оплавляется и взаимодействует с компонентами электролита. Происходит рост покрытия с формирующимися в нем дефектами различного размера; далее на следующих стадиях роста покрытия происходит залечивание дефектов с одновременным образованием новых.
Вблизи технологического слоя заметны различные образования, в том числе, и правильной геометрической формы, свидетельствующей об их кристаллической структуре (см. рис. 2.9 - 2.10). Их формирование объясняется тем, что частицы металла в процессе оксидирования отделяются от материала основы и, так как они электрически изолированы от нее, больше не участвуют в процессе оксидирования.
Материалы и средства технологического оснащения экспериментальных исследований
При проведении экспериментальных исследований использовался специально разработанный, изготовленный и запатентованный д.т.н. проф. В.М. Смелянским и инженером кафедры «Технология машиностроения», к.ф-м.н., с.н.с. Е.М. Морозовым в Московском государственном техническом университете «МАМИ» источник технологического тока ИТТ МАМИ-1 [88].
Ключевой особенностью ИТТ МАМИ-1 является то, что. в качестве регулируемого элемента используется конденсаторная батарея, имеющая минимальные потери, стоимость, габариты и вес, а, следовательно, и наибольшие перспективы стать прообразом промышленного источника.
ИТТ МАМИ-1 является полностью автоматизированным устройством, осуществляющим подачу на оксидируемое изделие требуемое по технологии рабочее напряжение (рис. 3.4). Поэтому его принципиальная схема включает как силовые элементы, так и элементы автоматики. К силовым элементам относятся блоки конденсаторной батареи, с помощью которых изменяется рабочий ток и напряжение на оксидируемом изделии. Так как ИТТ рассчитан на максимальный ток 200 А при напряжении до 500 В, реактивная мощность конденсаторной батареи должна быть порядка 150 - 200 кВт, которая реализуется с применением малогабаритных конденсаторов с малыми потерями. В ИТТ были использованы конденсаторы типа К-75-28 с номинальным напряжением 3 кВ, емкостью 100 мкФ ±10 %, реактивная мощность каждой банки - 20 кВт. Батарея общей емкостью 2000 мкФ состоит из 20 конденсаторов, таким образом, суммарная реактивная мощность 400 кВт. Конденсаторы такого типа, благодаря применению многослойных диэлектриков с малыми потерями, имеют малые габариты и вес.
Коммутация токов и напряжений на основной стадии осуществляется мощными магнитными пускателями типа К-32, силовые контакты которых включены параллельно, что позволяет переключать токи до 200 А. Параллельное включение контактов используется и для коммутации токов на первой и второй технологических стадиях, хотя величина их на один — два порядка меньше. Параллельное включение контактов позволяет уменьшить токовую нагрузку на контакты и тем самым повысить степень надежности устройства.
В качестве вентилей для формирования из синусоиды серий импульсов положительной или отрицательной полярности использованы кремниевые сильноточные диоды типа Д-245 и ВЛ-25, а для формирования сдвинутой относительно нулевой оси синусоиды - диоды ВЛ-25.
Для того чтобы минимизировать количество коммутирующих элементов, функции включения и отключения выходных напряжений и функции чисто управленческие по формированию временных интервалов, блокировок и т.д., выполняются одними и теми же пускателями, что позволяет сократить количество коммутационных элементов и повысить надежность источника.
ИТТ автоматически обеспечивает 2 предварительные стадии (1-я и 2-я ступени): стадию очистки поверхности травлением, стадию нанесения барьерной окисной пленки в доискровом режиме и основную стадию оксидирования в различных режимах.
Схема собрана в металлическом корпусе в виде металлического шкафа, на лицевой панели которого в верхней части расположены измерительные приборы и органы управления (рис. 3.5). Размеры шкафа составляют 1250x650x300 мм. Для доступа к узлам и элементам источника задняя стенка сделана съемной. Внутри шкафа смонтированы поперечные металлические полки и панели для крепления узлов и элементов источника.
Компоновка источника предусматривает размещение конденсаторов как наиболее тяжелых узлов в нижней части шкафа, что смещает центр тяжести вниз и повышает устойчивость; при этом конденсаторы располагаются в два ряда. Устройства коммутации и автоматики смонтированы на вертикальных панелях в средней части шкафа. Верхний ряд магнитных пускателей обеспечивает подключение блоков конденсаторной батареи в силовую цепь источника. Нижним рядом пускателей осуществляются функции автоматики и коммутация напряжений 1-ой и 2-ой ступеней. Силовые пускатели, обеспечивающие коммутацию третьей основной ступени, смонтированы на боковой стенке шкафа. Диодные вентили расположены в глубине верхней части шкафа. Тепловой размыкатель цепи и переключатель режима «симметричный — асимметричный» смонтированы на тыльной стороне и переключаются со стороны задней стенки шкафа. Входные и выходные кабели и токоведущие шины расположены в средней части со стороны задней крышки шкафа. Таким образом, со стороны боковых стенок и лицевой панели токоведущие элементы отсутствуют.
Анализ степени наполнения покрытий
Как было отмечено, при выполнении исследований варьировались токовые параметры, состав и концентрация электролитов, время обработки, дополнительная обработка и определялось их влияние на толщину покрытий и КС покрытий. Анализ позволил выявить, что все исследуемые режимы в большей или меньшей степени влияют на толщину покрытия и КС.
Первоначальный анализ проводился с использованием аппаратов теории вероятностей, корреляционного, регрессионного и других видов анализа. Всего было построено свыше 600 однофакторных зависимостей. При этом было установлено, что на толщину и КС влияют все УТФ, однако не была выявлена степень влияния этих факторов.
В дальнейшем использовались различные методы для классификации, оценки тесноты связей и др., в частности, аппараты кластерного и факторного анализа.
Кластерный анализ является не столько обычным статистическим методом, сколько «набором» различных алгоритмов «распределения объектов по кластерам» [89 - 91]. Была использована логика древовидной кластеризации, состоящей в объединении объектов в достаточно большие кластеры на основе использования некоторых мер сходства или расстояний между объектами. Типичным результатом такой кластеризации является иерархическое дерево.
В качестве наиболее общего типа расстояния между объектами использовалось евклидово расстояние, которое является геометрическим расстоянием в многомерном пространстве и вычисляется следующим образом: dy = Z (x.k-x.k) , (31) Vk=l где d» — расстояние между объектами і и j; Х- — значение к -й переменной для і -го объекта.
Наличие большого числа факторов существенно усложняет задачу разработки статистических моделей по оценке влияния этих факторов на толщину и КС МДО-покрытия. В связи с этим возникли задачи описания многомерного пространства УТФ, влияющих на толщину и КС покрытий, выделение существенных и на их основе построения моделей зависимостей толщины и КС МДО-покрытий от режимов обработки. Для этого удобным является использование подходов, трактуемых в классическом факторном анализе.
Главными целями факторного анализа являются: 1) сокращение числа переменных (редукция данных); 2) определение структуры взаимосвязей между переменными, т.е. классификация переменных.
В данной работе факторный анализ использовался для сокращения числа переменных и для классификации переменных. В качестве исходных данных использовались выборки параметров режимов МДО в широком диапазоне. Производилось вычисление одномерных статистик (среднее, стандартное отклонение, коэффициент вариации и др.), вычислялись значения ковариаций и корреляций между параметрами режимов обработки.
Для первоначального извлечения факторов использовался метод главных компонент: m P XajpZjj, (3.2) p=i в котором факторы (главные компоненты) р . по порядку учитывают максимум извлекаемой суммарной дисперсии параметров и линейно связаны с ними. Другими словами, первая главная компонента в действительности является линейной комбинацией исходных параметров, учитывающей максимум их суммарной дисперсии. Вторая главная компонента не коррелирует с первой и учитывает максимум оставшейся дисперсии и т.д.
Использование аппаратов кластерного и факторного анализа также не позволило установить влияние параметров на качество и эксплуатационные свойства покрытий.
Поэтому было решено для использования имеющегося эмпирического материала применить МЭА, позволяющий оценивать комплексное влияние факторов, имеющих различную размерность и физический смысл [84, 86 - 87, 92 - 96].
Исходными данными для анализа, как было отмечено, являлась сводная таблица условий и результатов экспериментов, содержащая 100 столбцов и 228 строк. При этом каждому эксперименту было присуще различное сочетание показателей, которое практически не совпадало в рамках одного этапа; следовательно, каждый эксперимент имел ряд пробелов в некоторых показа 136 телях. Далее выделяли имеющиеся для каждого эксперимента данные в отдельные таблицы (см. табл. 3.4) и проводили необходимые для анализа преобразования в таблицах.
