автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Методика оценки качества микроповерхности после размерной электрохимической обработки с применением фрактального анализа

На правах рукописи

БАВЫКИН Олег Борисович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА МИКРОПОВЕРХНОСТИ ПОСЛЕ РАЗМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФРАКТАЛЬНОГО АНАЛИЗА

Специальности: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2013

005057925

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» /Университет машиностроения/

Научный руководитель Вячеславова Ольга Федоровна,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

Официальные оппоненты: Усов Сергей Вадимович,

доктор технических наук, профессор, ООО «Технологические системы защитных покрытий», заместитель генерального директора;

Болдырев Александр Иванович, кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Технология машиностроения»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Московский государственный

технологический университет «СТАНКИН»

Защита состоится 29 мая 2013 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.04 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан 12 апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кириллов О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В машиностроении большое количество деталей имеет ячеистую конструкцию типа вафельных углублений. Особенно часто такие конструкции используются в авиационно-космической отрасли, где они применяются для изготовления панелей, обтекателей из черных и цветных сплавов, корпусов топливных баков. Главным требованием к подобным изделиям является минимизация массы при сохранении высокой жесткости и прочностных свойств. С этой целью перемычки между углублениями уменьшают до величины, соизмеримой с глубиной измененного слоя, который становится необходимым элементом при оценке точности рассматриваемого элемента вафельных конструкций, измерение и оценка микроповерхности металлических деталей после нетрадиционных технологических операций должны выполняться также нетрадиционными методами.

Для наиболее часто используемой в производстве таких деталей размерной электрохимической обработки (ЭХО) прямые физические измерения микронеровностей дают хотя стабильный, но неточный результат, что вызывает опасение утраты прочностных показателей силовых вафельных изделий. Разработанный в последние годы метод оценки поверхностного слоя на основе фрактального анализа дает возможность перейти к расчету и назначению предельных размеров перемычек вафельных конструкций, сохраняя требуемые эксплуатационные характеристики при минимизации массы изделий.

Новый подход позволяет решить актуальную проблему проектирования и изготовления облегченных высокопрочных объектов вафельного типа, что востребовано в перспективных изделиях машиностроения и способствует созданию конкурентоспособной продукции отечественного машиностроения. Это направление работ актуально для промышленности и отвечает государственным программам страны.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной космической программной России на 2006 - 2015 годы (с изменениями, утвержденными постановлением Правительства Российской Федерации от 31 марта 2011 г. № 235) и Программой стратегического развития Университета машиностроения в период с 2012 по 2020 годы (от 28.11.2011 г.).

Целью диссертационного исследования является научное обоснование и установление рациональной области использования оценки микроповерхности металлических деталей после размерной ЭХО с использованием фрактального анализа применительно к технологии изготовления облегченных деталей вафельной конструкции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО с применением фрактального анализа.

2. Описать механизм процесса формирования электрохимически обработанной поверхности на основе фрактального анализа, учитывающий стадию пленкообразования.

3. Создать математическую модель процесса формирования электрохимически обработанной поверхности на основе фрактального анализа, учитывающую стадию пленкообразования.

4. Исследовать взаимосвязи параметров режима размерной ЭХО, свойств поверхности и фрактальной размерности при обработке облегченных деталей вафельной конструкции.

5. Разработать процедуру регулирования режимов размерной ЭХО и оценки структурно-динамических свойств микроповерхности деталей вафельной конструкции, состоящую из критериев фрактальности микроповерхности и многомерной шкалы, учитывающей взаимосвязь параметров режима размерной ЭХО, фрактальной размерности и свойств поверхности.

6. Разработать технологический процесс контроля качества поверхностного слоя облегченных деталей вафельной конструкции.

Объект исследования - детали вафельной конструкции, обработанные размерной электрохимической обработкой.

Предмет исследования — оценка свойств электрохимически обработанной микроповерхности деталей вафельной конструкции с использованием фрактального анализа.

Теоретическая и методологическая основа исследования. В основе диссертационного исследования лежат теоретические концепции и методологические подходы отечественных и зарубежных ученых в области электрохимической обработки, методов оценки параметров поверхностного слоя деталей машин, фрактального анализа, теории шкал, обеспечивающие системность и комплексность изучения проблем эффективного производства деталей вафельной конструкции.

Основные методы исследования. Определение наличия у образцов фрактальных свойств осуществлялось совместным использованием специализированной компьютерной программы «Nova» и статистического анализа. Фрактальный анализ образцов выполнялся с использованием сканирующей зондовой микроскопии и программы «Nova». Независимый фрактальный анализ образцов производился в ИРЭ РАН методом сеток на специальном компьютерном программном обеспечении. Исследование взаимосвязи режимов размерной ЭХО, геометрических параметров поверхности и фрактальной размерности базировалось на математическом моделировании и на результатах фрактального анализа образцов. Поляризационные исследования осуществлялись с помощью потен-циодинамического метода. Эксплуатационные исследования проводились на серийной установке ВЭДС—200 и на установке рычажного типа с последующим металлографическим, спектральным и рентгеноструктурным анализом. Построение многомерной шкалы основывались на теории шкал.

Информационную и эмпирическую базу исследования составили сведения по состоянию и развитию метода размерной ЭХО, методов оценки параметров поверхностного слоя деталей машин, нормативные документы, касающиеся вопросов шероховатости поверхности и проверки отклонения вероятностей от нормального распределения, теория фракталов, а также результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.

2

Степень достоверности полученных результатов. Смоделированные значения параметра D, выступающие в качестве индикатора наличия на электрохимически обработанной поверхности кластера «роста» или кластера «разрушения», экспериментально подтверждены по данным фрактального анализа образцов с заведомо известной стадией формирования микроповерхности.

Выявлена высокая точность результатов, полученных как с использованием критериев фрактальности электрохимически обработанной поверхности, так и при вычислении фрактальной размерности в программе «Nova». Оценка проводилась по результатам многократной обработки структур с известной степенью фрактальности, а также по данным независимого исследования, проведенного в ИРЭ РАН.

Достоверность результатов работы подтверждается также внедрением результатов исследований на предприятии ЗАО ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева и в учебный процесс кафедры «Стандартизация, метрология и сертификация» Университета машиностроения.

Научной новизной работы являются:

1. Методика оценки качества поверхностного слоя с использованием фрактального анализа, учитывающего фактическую величину значимой части микронеровности после размерной ЭХО.

2. Математическая модель, отражающая связь значимых элементов микронеровностей, полученных после ЭХО, для выбранных значений фрактальной размерности, оцениваемых путем вариантных численных расчетов.

3. Описание механизма процесса формирования электрохимически обработанной поверхности на основе фрактального анализа.

4. Установленные взаимосвязи, позволяющие корректировать режимы размерной ЭХО адаптивными связями с требуемыми параметрами микроповерхности, с использованием оценки фрактальной размерности.

5. Научное обоснование использования методики оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО с учетом специфики изготовления и эксплуатации облегченных деталей вафельной конструкции.

Практическая значимость:

1. Методика оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО с применением фрактального анализа, позволяющая повысить точность оценки микро-поверхностии за счет последующей корректировки режима размерной ЭХО, а также облегчить вафельную конструкцию без утраты ее эксплуатационных качеств.

2. Многомерная шкала, учитывающая влияние фрактальной размерности на структурно-динамические характеристики поверхности.

3. Методика расчета эффективных режимов размерной ЭХО и способы оценки структурно-динамических свойств микроповерхности деталей вафельной конструкции, позволяющие с помощью многомерной шкалы установить фрактальность микроповерхности, оценить ее структурно-динамические свойства и определить направление корректировки режима обработки.

4. Технологический процесс контроля качества поверхностного слоя облегченных деталей вафельной конструкции, как часть процесса изготовления, позволяющий повысить точность оценки качества микроповерхности и улуч-

3

шить эксплуатационные показатели вафельных конструкций.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Механизм и математическая модель процесса формирования поверхности тонкостенной детали после размерной ЭХО, построенные на базе фрактального анализа.

2. Методика оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО на примере деталей вафельной конструкции, спроектированная с применением фрактального анализа.

3. Теоретические подходы в построении многомерной шкалы для комплексной оценки характеристик поверхности с учетом ее фрактальных свойств.

4. Критерии фрактальносги электрохимически обработанной поверхности.

5. Результаты экспериментальных исследований по определению взаимосвязи параметров режима размерной ЭХО, характеристик поверхности обрабатываемого материала и ее фрактальной размерности.

Реализация результатов работы. Разработанный технологический процесс контроля внедрен на предприятии ЗАО ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева. Критерии фрактальносги микроповерхности на основе свойств показателя Херста включены в курс лекций «Инженерные методы обеспечения качества», читаемых кафедрой «Стандартизация, метрология и сертификация» Университета машиностроения.

Кроме того, теоретические, практические и методические результаты работы могут быть использованы при чтении лекций и проведении практических занятий по курсу: «Методы фрактального анализа» (направление подготовки бакалавров 221700.62), а также по программам дополнительного образования для работников машиностроительной отрасли.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской научной школе для молодёжи «Образование в сфере нанотехнологий: современные подходы и перспективы» (Москва, 2010); международной научно-технической конференции «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» (Москва, 2010); международной научно-практической конференции «Евразийское пространство: приоритеты социально-экономического развития» (Москва, 2011); международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии» («Технология-2012») (Орел, 2012).

Некоторые аспекты диссертации легли в основу изданных учебных пособий «Современные методы оценки качества поверхности деталей машин» и «Современные методы исследования поверхности с использованием программы «Nova». Критерии цели», которые используются в Университете машиностроения при проведении практических занятий по курсу «Инженерные методы обеспечения качества».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - обработка результатов математи-

4

ческого моделирования; [6] - теоретические основы построения многомерной шкалы; [3, 7] - результаты анализа возможностей компьютерной программы «Nova» по статистической обработке поверхностного слоя; [4] - алгоритм применения многомерной шкалы; [5] - результаты исследования взаимосвязей фрактальной размерности поверхностного слоя, его свойств и параметров режима электрохимической обработки; [9] - предложены критерии фрактально-сти электрохимически обработанной поверхности.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 97 наименований и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 230 страницах, содержит 42 таблицы, 75 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, выделены ее объект и предмет изучения, представлена теоретическая и методологическая основа исследования, отмечена информационная и эмпирическая база исследования, указаны научная новизна, практическая значимость и реализация полученных в работе результатов, перечислены основные положения, выносимые на защиту, представлены сведения об апробации результатов научных исследований.

В первой главе представлен литературный обзор, посвященный описанию облегченных деталей вафельной конструкции, изготавливаемых методом размерной ЭХО. Отмечены высокие технологические требования, предъявляемые к ним. Изложены основные преимущества метода размерной ЭХО рассматриваемой группы деталей. Отмечено, что в качестве универсального параметра шероховатости поверхности, позволяющего более адекватно описать функциональные свойства обработанного изделия, может выступить фрактальная размерность поверхности (D).

Проведен анализ работ, выполненных по тематике диссертации, который показал:

1) отсутствие в доступной литературе:

- методик оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО с применением фрактального анализа;

- математической модели процесса формирования электрохимически обработанной поверхности на основе фрактального анализа, учитывающей стадию пленкообразования;

- описания механизма процесса формирования электрохимически обработанной поверхности на основе фрактального анализа, учитывающего стадию пленкообразования;

- установленных взаимосвязей параметров режима размерной ЭХО, свойств поверхности и фрактальной размерности при обработке облегченных деталей вафельной конструкции;

2) частичную изученность вопросов, касаемых:

- оценки наличия фракгальности у объекта. Установлено, что существуют подходы определения фрактальности временного ряда и динамических систем;

5

- построения многомерной шкалы, основанной на фрактальном анализе и предназначенной для оценки структурно-динамических характеристик поверхности. Известные взаимосвязи между стандартными и фрактальными параметрами шероховатости и фрактальная шкала для измерения формы распределений вероятности не отражают специфику оценки микроповерхности облегченных конструкций вафельного типа, применяемых в летательных аппаратах.

На базе проведенного анализа были разработаны задачи исследования, приведенные во введении.

Во второй главе при решении поставленных задач были выдвинуты следующие рабочие гипотезы:

- процесс формирования электрохимически обработанной поверхности обладает синергетической природой;

- математическая модель процесса формирования электрохимически обработанной поверхности на основе фрактального анализа позволяет учесть стадию пленкообразования;

- комплексное применение методов сканирующей зондовой микроскопии и фрактального анализа позволит разработать новый подход к критериям оценки качества поверхностного слоя после размерной ЭХО, учитывающий реальную геометрию микроуглублений металлических изделий;

- в качестве инструмента фрактального и статистического анализа электрохимически обработанной поверхности наилучшим образом подходит компьютерная программа «Nova»;

- существующие взаимосвязи между значением фрактальной размерности и свойствами обработанной поверхности позволяют создать многомерную шкалу;

- для определения фрактальности электрохимически обработанной поверхности можно использовать критерии, основанные на свойствах показателя Херста;

- существуют взаимосвязи параметров режима размерной ЭХО, свойств поверхности и фрактальной размерности при обработке облегченных деталей вафельной конструкции.

Синергетическая природа размерной ЭХО формируется под воздействием внешних факторов, связанных с параметрами режима обработки, и внутренних факторов, характеризующих структуру материала.

Проведенный анализ известных зависимостей между параметром D и свойствами поверхности показал возможность построения многомерной шкалы, позволяющей оценить через значения фрактальной размерности структурно-динамические свойства электрохимически обработанной поверхности.

Показано, что фрактальный анализ эффективен лишь в том случае, когда объект проявляет фрактальные свойства. Проведенный анализ известных методов определения фрактальности выявил, что ни один из них не подходит для изучения поверхности после электрохимической обработки, поэтому для определения фрактальности предложено использование особенностей показателя Херста (Н), по которому проведена критериальная оценка микроповерхности:

- при Н=0...0,5 и Н=0,5...1 структура фрактальна и обладает степенным законом распределения высот неровностей поверхности;

6

- при Н=0,5 поверхность не проявляет фрактальных свойств и распределение высот элементов описывается гауссовой статистикой.

Обоснована высокая эффективность программы «Nova» как инструмента фрактального анализа.

Предложена структура математической модели формирования микроповерхности детали при размерной ЭХО.

Приняты начальные условия модели: известна геометрия электрохимически обработанной микроповерхности. Структура микроповерхности фракталь-на. Граничные условия: ячеистая конструкция типа вафельных углублений имеет стенки, которые без учета микронеровностей не обеспечивают прочностные характеристики изделия в условиях эксплуатации.

Согласно модели распределение длительности интервала времени от начала процесса образования первого кластера единичного размера f) =0 до проявления /-го элемента в j-м по счёту кластере складывается из длительностей случайных интервалов двух непересекающихся интервалов (первого - до появления j-го кластера единичного размера, второго - до появления /-го по счёту элемента в этом кластере) и выражается сверткой двух распределений длительностей интервалов основного и вторичного процессов (формула 1):

QÍf¡ 5 фт) = ¿^т)= \Q(JJ-v)CIQ(,,V). (1)

о

Распределение длительности интервала времени для процесса увеличения числа элементов в /-м кластере описывается формулой:

еаг)=еЕп>; <:г}=е{х vj<r}*e(v]<r)*...*e(v;.,<r)*e(v;<r>. (2)

Для процесса увеличения числа элементов в /-м кластере распределение длительности интервала времени определяется выражением:

/;^г}*е(/;<г)*...*е(у;-'<7-)*ек<п. (з)

Появление /-го элемента в J-м кластере выражается формулой:

Q(iJ,T)=Q(j,i)*Q(i,T) . (4)

Предлагаемая математическая модель позволяет определить:

- число кластеров;

- число элементов в одном кластере;

- общее число элементов;

- распределение кластеров по размерам;

- распределение групп кластеров с одинаковым числом элементов.

Моделирование позволило получить значения параметра Д соответствующие разным состояниям механизма образования электрохимически обработанной поверхности (табл. 1).

Использование в многомерной шкале найденных значений даст возможность регулировать режим размерной ЭХО с целью получения требуемого состояния поверхности.

Таблица 1

Фрактальные размерности фрактальных кластеров_

Вид обработки Модель пуассоновского распределения

С образованием кластеров разрушения 2,065

С образованием плёночных структур 2,210

В третьей главе для проверки выдвинутых гипотез и правомерности разработанной модели созданы и подробно изложены в работе:

- критерии фрактальности микроповерхности;

- методика определения фрактальной размерности поверхности в программе «Nova»;

- методика проведения исследования взаимосвязи режимов размерной ЭХО, геометрических параметров поверхности и фрактальной размерности;

- методика поляризационных исследований;

- методика определения эксплуатационных свойств поверхности при размерной ЭХО;

- алгоритм применения расширенного варианта многомерной шкалы.

Обоснованы критерии фрактальности электрохимически обработанной поверхности на основе свойств показателя Херста, где в качестве оценочных параметров выступают: коэффициент асимметрии (л/ft) и кривизна (/?2) закона распределения высот неровностей поверхности. Определены значения параметров и /?2, определяющие два наиболее часто встречающихся случая отсутствия фрактальных свойств поверхности:

1) -0,06 < < 0,06, при этом 1,8 < р2 < 2,4 или 2,89 < Д2 < 3,12;

2)7^ = 2 и /?2=9.

Разработаны критерии фрактальности и методика проведения исследования взаимосвязи режимов размерной ЭХО, геометрических параметров поверхности и фрактальной размерности, что позволило расширить используемую в технологическом процессе контроля качества поверхностного слоя облегченных деталей вафельной конструкции многомерную шкалу следующими шкалами:

- коэффициента асимметрии (л/ft) и кривизны (/?2);

- параметрами технологии размерной ЭХО.

Установлены метрологические характеристики шкал статистических параметров поверхности:

- диапазон измерений параметра Jpl составляет интервал от -2 до 2;

- диапазон измерений /?2 - от 1 до 9.

В главе представлен общий вид расширенной многомерной шкалы и алгоритм ее применения.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований, проведенных в рамках написанных методик, а также описывается методика оценки качества микроповерхности после размерной электрохимической обработки с применением фрактального анализа.

На основе проведенного исследования группы образцов электрохимически

обработанной поверхности (табл. 2) установлено, что микроповерхность образцов после размерной ЭХО проявляет фрактальные свойства.

Таблица 2

Описание сканов и результаты проверки отклонения распределения неровно__стей от нормального распределения _

Номер образца Описание скана Значение Соответствие распределения нормальному закону

коэфф. асимметрии кривизны

№ 1 поверхность углепластика (для сравнения) Vft = 0,01 h = 3,11 соответствует

№2 поверхность после размерной электрохимической обработки № =0,3 /?2 = 1,97 не соответствует

№3 Ж = О'64 Рг = 2,74

№4 Ж = -°-56 Рг = 1.8

Результаты выполненного фрактального анализа образцов электрохимически обработанной поверхности в программе «Nova» показали (табл. 3):

- диапазон изменения фрактальной размерности поверхности при разных режимах электрохимической обработки изменяется от 2,01 до 2,103;

- значение параметра D электрохимически обработанной поверхности, полученной на оптимальном режиме размерной ЭХО, составляет D=2,01;

- процесс роста оксидной пленки характеризуется диапазоном значений фрактальной размерности D=2,01 2,04, для процесса пленочного разрушения характерны значения D от 2,04 до 2,103.

В результате исследования взаимосвязи режимов размерной ЭХО, геометрических параметров поверхности и фрактальной размерности получено уравнение регрессии и выявлены следующие тенденции:

- криволинейная зависимость между скоростью подачи инструмента Vk и Ra: при изменении значений Vk от 0,5 до 1 мм/мин. происходит уменьшение параметра Ra от 0,067 до 0,04 мкм; при значениях Vkcrr 1 до 1,5 мм/мин. параметр Ra увеличивается от 0,04 до 0,192 мкм.

- линейная зависимость между температурой электролита Тэ и Ra', при увеличении температуры электролита от 293 до 313К параметр шероховатости Ra возрастает от 0,04 до 0,4 мкм.

Таблица 3

Результаты фрактального анализа образцов электрохимически обработанной

поверхности в программе «Nova»

» Параметры обработки поверхности D Параметры обработки поверхности

2,01 20 % NaNOj; 1=293 К; Vk = 1 м.-'мин: Уэ =52 м/мнп 2,04 20 % NaN03; Т-293К; Vk — 0,5 м/мнн; Уэ =52 м/мнн

2,07 20 °/о NaNO.; Т=303К; Vk = 1 м'мин; Уэ =52 м/мин 2,015 20 % NaNO/ Т-293 К; Ук — 1 м/мпн: Уэ -52 м/мнн

2,103 20% NaN03; Т - 313 К; Vk = 1 м/мнн: Уэ - 52 м/мин 2,07 20°/. NaNO/. Т - 293 К; Vk = 1,5 м/мнн; Уэ - 52 м;мпн

Установлен оптимальный режим размерной ЭХО применительно к тонкостенным алюминиевым вафельным конструкциям: 20% №ЫОз, рН=9, Т=293К, Уэ=52 м/мин., Ук= 1 м/мин.

На основе поляризационных испытаний:

1) получен ряд поляризационных кривых (рис. 1), в результате анализа которых установлен механизм анодного растворения алюминиевых сплавов, включающий период пленкообразования (при <р=0-Н В) и активного разрушения пленки (при <р=1,8-^2 В), что подтверждает предположенный фрактально-кластерный механизм формирования поверхности при размерной ЭХО на базе моделей «роста» и «разрушения»;

Рис. 1. Зависимость плотности тока у, А/см2 от напряжения <3: электролит

15% ЫаЖ>3; рН=7,5; Т=293К 2) выделены реакции, протекающие при анодном растворении:

- образование пленки (кластер роста);

- растворение пленки;

- анодное растворение металла (образование кластера разрушения);

- реакция в растворе электролита.

Реакции согласуются с предложенным механизмом процесса формирования электрохимически обработанной поверхности на основе фрактального анализа (рис. 2).

Рис. 2. Схема формирования поверхности при размерной ЭХО:

а) формирование единичных зародышей на обрабатываемом материале;

б) массовое образование зародышей, начало образования кластеров Кь К2, ..., Кп;

в) образование островков плёнки 5 из кластеров Кь K2j ...Кп; г) образование плёнки 6 различной структуры из островков 5(1- исходная (матричная поверхность);

2 — дефекты структуры материала; 3 - единичные зародыши; 4 - атомы;

5 - островки пленки; 6 - пленка)

Результаты фрактальной оценки показателей микроповерхности после ЭХО сравнивались с известными литературами данными многоцикловых усталостных испытаний, приведенных в работах В.П. Смоленцева.

В результате проведенных эксплуатационных исследований получены кривые распределения пределов выносливости образцов из алюминиевых сплавов в зависимости от вероятности их разрушения (рис. 3), которые с погрешностью не более 10% совпадают с результатами, известными для алюминиевых сплавов.

По полученным кривым видно:

- с учетом пересчета параметров микрошероховатости поверхностного слоя размерная ЭХО снижает предел выносливости алюминиевых сплавов, что соответствует качественным и количественным результатам прошлых исследований, правомерность которых подтверждена многолетней практикой применения ЭХО в авиационной отрасли;

- размерная ЭХО значительно уменьшает среднее квадратическое отклонение пределов выносливости, что свидетельствует о стабилизации свойств поверхностного слоя после размерной ЭХО. Этот факт ранее не был известен, и теперь стало возможным при разработке технологических процессов с применением ЭХО сузить доверительные интервалы при назначении показателей шероховатости для тонкостенных конструкций, эксплуатируемых при многоцикловых нагружениях.

200 300 400 <!■_!, Мпа

Рис. 3. Распределение предела выносливости в зависимости от вероятности разрушения (Д - размерная ЭХО; О - фрезерование)

В результате анализа сходимости данных теоретических и экспериментальных исследований установлено:

- результаты независимого R/S-анализа подтвердили выявленные ранее предлагаемым методом фрактальные свойства электрохимически обработанной поверхности;

- встроенный в программу «Nova» алгоритм вычисления размерности Хау-сдорфа-Безиковича обладает высокой точностью как при изучении искусственных фракталов (5 = 1,2 2,3%), так и при анализе стохастических структур (5 = 0,8 - 1,5%);

- вычисленные и измеренные значения фрактальной размерности для процессов «роста» и «разрушения» хорошо согласуются друг с другом (Д < 0Д8).

Полученные в ходе теоретических и экспериментальных исследований данные позволили уточнить метрологические характеристики предлагаемой многомерной шкалы. На рис. 4 представлен уточненный вид многомерной шкалы.

Исследования образцов по многомерной шкале показали:

- образец из стеклопластика не проявляет фрактальных свойств;

- образец № 1 относится к фракталам, значение параметра D соответствует заданному, корректировка режима размерной ЭХО не требуется, оксидная пленка отсутствует, Ra = 0,04 мкм, скорость растравливания по границам зерен минимальна;

- образец № 2 проявляет фрактальные свойства, значение параметра D отличается от требуемого, необходима корректировка режима размерной ЭХО (уменьшить значение Vk до 1 мм/мин. или снизить значение Гэдо 293К), оксидная пленка умеренной толщины, Ra = 0,2 мкм, скорость растравливания по границам зерен средняя (допустимая условиями эксплуатации изделия).

12

Назначение шкалы Ввд шкалы Измеряем»* характеристика

Определение фрактальности обработанной поверхности •-[........................- 0,6 -0,06 0,06 0,6 Коэффициент асимметрии Кривизна

2:&9 3,12

Выбор параметров корректировки технологии размерной ЭХО —~ ~~~ 1,5 0,5 Ук ми/мин Скорость подачи катода Температура электролита

293 298 303 308 313 к

Опенка фрактальной размерности образца Фрактальнач размерность

2,01 2,0 4 2, 37 2,085 2,103

структурно-динамических характеристик образца * 0,04 || 0,067 | И- Д. мкм Шероховатость поверхности Толщина (наличие) оксидной пленки

1 "1 Им»| 2

1 —__ Скорость образования микроуглублений

Рис. 4. Уточненный вид многомерной шкалы (Т3 - температура электролита; Ук -скорость подачи катода; О - фрактальная размерность электрохимически обработанной поверхности; Яа - геометрический параметр шероховатости поверхности; Р - скорость образования микроуглублений; Я- толщина (наличие) оксидной пленки; участок 1 - процесс образования кластера разрушения; участок 2 - процесс образования пленочных структур)

В пятой главе разработан технологический процесс контроля качества поверхностного слоя облегченных деталей вафельной конструкции. Операции контроля включают в себя применение фрактальной многомерной шкалы, предназначенной для оценки выходных данных режима размерной ЭХО (по параметру О), структурно-динамических свойств поверхности, а также определению направления корректировки режима размерной ЭХО.

Представлен технологический маршрут изготовления вафельных обечаек, включающий 19 операции.

Предложена структурная схема установления взаимосвязи между эксплуатационными свойствами и технологическими параметрами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО с использованием фрактального анализа (применительно к деталям вафельной конструкции), являющаяся основой технологического процесса контроля качества поверхностного слоя облегченных деталей вафельной конструкции. Методика позволяет повысить точность оценки микроповерхности от 5 до 7% и за счет последующей корректировки режима размерной ЭХО облегчить вафельную конструкцию на 5-10% в зависимости от ее типа.

2. Методика оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО ос-

13

новывается на критическом анализе существующих подходов оценки микроповерхности без учета динамики ее развития и не позволяющих адекватно охарактеризовать ее свойства, что позволило уточнить качественные и количественные требования к обрабатываемой поверхности с учетом условий эксплуатации тонкостенных конструкций вафельного типа.

3. Разработанная методика оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО базируется на описании механизма процесса формирования поверхности как результата синергетической природы метода, проявляющаяся в одновременном действии внешних факторов, связанных с параметрами режима обработки, и внутренних факторов, характеризующих структуру материала, позволяющая учесть как максимальное количество факторов, воздействующих на обрабатываемый материал, так и их взаимодействия, что повысило точность оценки в среднем на 7%.

4. Разработанная методика оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО учитывает активное влияние на формирование поверхности плен-кообразования, рассматривая его как фрактально-кластерный процесс, поэтому механизм пленкообразования включает в себя несколько стадий:

- формирование единичных зародышей на обрабатываемом материале;

- массовое образование зародышей, начало образования кластеров;

- образование островков плёнки из кластеров;

- образование плёнки различной структуры из островков.

Это позволило использовать предложенную методику оценки процесса пленкообразования как часть технологического процесса контроля качества поверхностного слоя.

5. В качестве эффективного инструмента описания синергетической природы размерной ЭХО и механизма формирования поверхности после электрохимической обработки предложена теория фракталов, позволяющая описать структурно-динамические свойства поверхности, а в качестве оценочного параметра применять фрактальную размерность Б.

6. Создана математическая модель процесса формирования обработанной поверхности при размерной ЭХО, разработанная на основе фрактального анализа и включающая в себя стадии разрушения и роста пленки, что даёт возможность уточнить физические представления о процессе формирования поверхности при размерной ЭХО, имеющем фрактально-кластерный характер, и определить следующие значимые характеристики пленкообразования, влияющие на выбор режимов ЭХО:

- значения 0=2,01 + 2,04 соответствуют процессу роста оксидной пленки;

- значения 0=2,04 + 2,103 характеризуют процесс ее разрушения.

7. Подтверждены результаты поляризационных и эксплуатационных исследований микроповерхности после размерной ЭХО, отвечающие основным положениям созданной математической модели, в частности при <р=0+1 действительно протекает период пленкообразования, при <р=1,8+2 В наступает период активного разрушения пленки.

8. Установлена и реализована взаимосвязь между шероховатостью поверх-

14

ности, фрактальной размерностью и параметрами режима размерной ЭХО:

- линейная зависимость между Тэ, Ra и D: при увеличении температуры электролита от 293 до 313К параметр шероховатости Ra возрастает от 0,04 до 0,4 мкм, параметр D увеличивается от 2,01 до 2,103;

- линейная зависимость: с ростом температуры в интервале от 293К до 313К параметр D возрастает от 2,01 до 2,103;

- нелинейная зависимость между V., R и D: при изменении значений V, от

Ra ¡¡

0,5 до 1 мм/мин. происходит уменьшение параметра Ra от 0,067 до 0,04 мкм и параметра D от 2,03 до 2,01; при значениях Vk от 1 до 1,5 мм/мин. параметры Ra и D увеличиваются от 0,04 до 0,192 мкм и от 2,01 до 2,07 соответственно.

Полученные результаты обусловили возможность использования выявленных взаимосвязей для расширения многомерной шкалы, реализующей возможности ускоренного нахождения расчетных параметров, и уточнения ее метрологических характеристик.

9. Разработаны и включены в многомерную шкалу критерии фрактально-сти электрохимически обработанной микроповерхности на основе свойств показателя Херста. С помощью этого критерия установлено, что поверхность не проявляет фрактальных свойств при:

1) -0,06 < < 0,06, при этом 1,8 < р2 < 2,4 или 2,89 < /?2 < 3,12;

2)УА>2и рг=9.

Разработанные критерии позволяют выбрать адекватный способ уточнения показателей свойств поверхности (фрактальный анализ или традиционные методы), наиболее технологичный для конкретного изделия с учетом условий его эксплуатации.

10. Разработана многомерная шкала, содержащая 8 шкал и позволяющая уточнить оценку выходных данных размерной ЭХО (по параметру D), структурно-динамических свойств поверхности (скорости локального растворения границ зерен, толщины оксидной пленки и шероховатости поверхности по параметру Ra), а также для определен™ наличия фрактальных свойств у обработанной поверхности и направления корректировки режима размерной ЭХО. Разработан алгоритм применения шкалы и форма протокола оформления результатов ее использования.

Доказано, что многомерная шкала является основой построения методики уточненной оценю! качества микроповерхности после размерной ЭХО.

11. Проведенный анализ возможностей программы «Nova» при статистической обработке результатов оценки микроповерхности, а также установленная высокая точность алгоритма вычисления фрактальной размерности Хау-сдорфа-Безиковича (при изучении искусственных фракталов 5 = 1,2^2,3%, при анализе стохастических структур 5 = 0,8-И,5%) позволяют использовать в многомерной шкале указанный программный продукт с целью определения наличия фрактальных свойств у электрохимически обработанной поверхности и для проведения фрактального анализа.

12. Разработан технологический процесс контроля качества поверхностного слоя как часть последовательности обработки облегченных деталей вафельной конструкции, включающий в себя применение многомерной шкалы для оценки выходных данных режима размерной ЭХО (по параметру D), структурно-динамических свойств поверхности, а также для определения направления корректировки режима размерной ЭХО. Технологический процесс контроля повышает точность оценки качества микроповерхности на 5-7%.

13. Внедрение технологического процесса изготовления деталей вафельной конструкции, с включенным в него разработанным технологическим процессом контроля, позволило:

- повысить точность изготовления деталей с IT11-10 до IT9-8;

- повысить усталостную прочность изделий на 15-20%;

- повысить срок службы агрегатов с 3 до 5 лет;

- повысить точность контроля и оценки параметров поверхности деталей на основе фрактального анализа в пределах 25%.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Бавыкин О.Б. Формирование наименьшего значения шероховатости поверхности деталей машин на основе выбора оптимальных режимов размерной электрохимической обработки / О.Б. Бавыкин, О.Ф. Вячеславова // Известия МГТУ «МАМИ». 2010. № 2 (10). С. 102-107.

2. Бавыкин О.Б. Оценка качества поверхности машиностроительных изделий на основе комплексного подхода с применением многомерной шкалы / О.Б. Бавыкин // Известия МГТУ «МАМИ». 2012. № 1 (13). С. 139-142.

3. Бавыкин О.Б. Комплексная оценка качества поверхности и эксплуатационных свойств изделий из наноматериалов / О.Б. Бавыкин, О.Ф. Вячеславова // Автомобильная промышленность. 2012. № 3. С. 36-37.

4. Бавыкин О.Б. Фрактальная многомерная шкала, предназначенная для управления режимом размерной ЭХО и оценки его выходных данных / О.Б. Бавыкин // Известия МГТУ «МАМИ». 2012. Т. 2. № 2 (14). С. 218-219.

5. Вячеславова О.Ф. Применение фрактального анализа для описания и оценки стохастически сформированных поверхностей / О.Ф. Вячеславова, О.Б. Бавыкин // Известия МГТУ «МАМИ». 2012. Т. 2. № 2 (14). С. 61-63.

Статьи и материалы конференций

6. Вячеславова О.Ф. Новый подход к повышению качества жизни человека путем актуализации оценочно-измерительных процедур параметров поверхности в субмикро- и нанодиапазонах / О.Ф. Вячеславова, О.В. Савостьянова, О.Б. Бавыкин // Качество и жизнь 2011. 2011. С. 180-182.

7. Бавыкин О.Б. Комплексное использование современного компьютерного программного обеспечения в процессе обучения и оценки знаний студентов по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» / О.Б. Бавыкин, О.Ф. Вячеславова, С. А. Зайцев // Системы обработай информации. 2011. № 6 (96). С. 44-47.

8. Бавыкин О.Б. Применение в образовании специализированных компьютерных программ «NOVA» и «MYTESTX» / О.Б. Бавыкин // IDO Science. 2011. № 1.

16

С. 10-11.

9. Потапов A.A. Автоматизация процессов измерения параметров электрохимически обработанных поверхностей с целью реализации фрактального подхода к управлению технологическим процессом / A.A. Потапов, О.Б. Бавыкин, О.Ф. Вя-чеславова// Системы обработки информации. 2012. № 2 (100). С. 92-95.

10. Вячеславова О.Ф, Моделирование процесса формирования структурно-геометрических и эксплуатационных свойств поверхности и их оценка на основе многомерной шкалы / О.Ф. Вячеславова, С.А. Зайцев, О.Б. Бавыкин // Передовые российские технологии: труды семинара. Мадрид, 2011. С. 33-37.

11. Вячеславова О.Ф. Многомерная шкала для комплексной оценки качества поверхности и функциональных параметров электрохимически обработанных изделий / О.Ф. Вячеславова, О.Б. Бавыкин // Метрология и метрологическое обеспечение 2010: тез. нац. науч. симпозиума. Созополь, 2010. С. 89-92.

12. Бавыкин О.Б. Актуализация оценочно-измерительных процедур параметров поверхности в субмикро- и нанодиапазонах / О.Б. Бавыкин, О.В. Савостьянова, О.Ф. Вячеславова// Образование в сфере нанотехнологий: современные подходы и перспективы: тез. всерос. науч. школы. М., 2010. С. 19-22.

13. Бавыкин О.Б. Метод фрактального анализа как основа способа распознавания и оценки структурных характеристик поверхностного слоя / О.Б. Бавыкин // Измерение, контроль, информатизация: тез. междунар. науч. конф. Барнаул, 2009. С. 188-189.

14. Бавыкин О.Б. Применения компьютерных технологий для оценки качества изделий машиностроения / О.Б. Бавыкин, О.Ф. Вячеславова // Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении (ТМ-2010): сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 2010. С. 87-90.

15. Бавыкин О.Б. Определение интенсивности фрактальных свойств поверхностей конструкционных материалов по данным статистического анализа / О.Б. Бавыкин, О.Ф. Вячеславова // Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров: труды междунар. 77-й науч.-техн. конф. М., 2012. С. 12-21.

16. Потапов A.A. Исследование возможностей применения компьютерной программы «Nova» для фрактальной обработки информации / A.A. Потапов, О.Ф. Вячеславова, О.Б. Бавыкин // Волновая электроника и ее применение в информационных и телекоммуникационных системах: материалы междунар. молодежной конф. Воронеж, 2012. С. 119-123.

17. Потапов A.A. Применения фрактального анализа для оценки качества инженерной поверхности и динамических свойств ее структуры / A.A. Потапов, О.Ф. Вячеславова, О.Б. Бавыкин // Механические свойства современных конструкционных материалов: тез. междунар. науч. конф. М., 2012. С. 197-199.

18. Потапов A.A. Особенности разработки технологического процесса изготовления деталей с применением фрактального анализа поверхностного слоя / A.A. Потапов, О.Ф. Вячеславова, О.Б. Бавыкин // Механические свойства современных конструкционных материалов: тез. междунар. науч. конф. М., 2012. С. 202-204.

Подписано в печать 08.04.2013. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № О'?

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет

(МАМИ)» /Университет машиностроения/

04201357394

На правах рукописи

Бавыкин Олег Борисович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА МИКРОПОВЕРХНОСТИ ПОСЛЕ РАЗМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФРАКТАЛЬНОГО АНАЛИЗА

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической

обработки 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Вячеславова О.Ф.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................5

Глава 1 Методы оценки свойств поверхности деталей вафельной конструкции..................................................................................... 12

1.1 Детали вафельной конструкции и требования, предъявляемые к ним................................................................................................ 12

1.2 Методы изготовления вафельных конструкций и силовых элементов......... 15

1.3 Анализ методов оценки параметров поверхностного слоя деталей машин... 21

1.4 Основные научные исследования в области применения теории фракталов

для оценки свойств поверхности........................................................... 25

1.4.1 Общие сведения о фракталах........................................................ 25

1.4.2 Методы определения фрактальности поверхности.............................. 36

1.4.3 Взаимосвязь свойств поверхности и ее фрактальной размерности..................................................................................... 46

1.5 Выводы....................................................................................... 53

Глава 2 Теоретические исследования процесса формирования электрохимически обработанной поверхности с применением теории фракталов........................................................................................ 55

2.1 Особенности формирования поверхностного слоя при размерной электрохимической обработке как результат фрактально-синергетической природы метода................................................................................. 55

2.2 Математическая модель процесса формирования электрохимически обработанной поверхности на основе фрактального анализа, учитывающая стадию пленкообразования.................................................................. 63

2.3 Современные методы оценки параметров поверхностного слоя................ 77

2.4 Оценка свойств поверхности на основе многомерной шкалы................... 81

2.5 Определение наличия фрактальности с использованием свойств показателя Херста.............................................................................. 84

2.6 Выводы....................................................................................... 86

Глава 3 Методики экспериментальных исследований................................. 88

3.1 Критерии фрактальности микроповерхности........................................ 88

3.2 Методика определения фрактальной размерности поверхности в программе «Nova».............................................................................. 89

3.3 Методика проведения исследования взаимосвязи режимов размерной ЭХО, геометрических параметров поверхности и фрактальной размерности.... 91

3.4 Методика поляризационных исследований.......................................... 99

3.5 Методика определения эксплуатационных свойств поверхности при размерной ЭХО................................................................................. 102

3.6 Расширение оценочного диапазона многомерной шкалы и алгоритм ее применения...................................................................................... 108

3.7 Выводы....................................................................................... 113

Глава 4 Результаты экспериментальных и теоретических исследований............. 115

4.1 Исследование наличия фрактальных свойств поверхности..................... 115

4.2 Фрактальный анализ поверхности в программе «Nova».......................... 117

4.3 Исследование взаимосвязи режимов размерной электрохимической обработки, геометрических параметров поверхности и фрактальной размерности..................................................................................... 119

4.4 Поляризационные исследования....................................................... 137

4.5 Исследование эксплуатационных свойств деталей вафельной конструкции................................................................................................................. 147

4.6 Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований.................................................................................... 157

4.7 Уточнение многомерной шкалы и разработка формы представления результатов...................................................................................... 163

4.8 Методика оценки качества микроповерхности после размерной электрохимической обработки с применением фрактального анализа........... 169

4.9 Пример оценки качества микроповерхности металлических деталей после

размерной электрохимической обработки с применением фрактального

анализа........................................................................................... 170

4.10 Результаты и выводы.................................................................... 178

Глава 5 Внедрение результатов исследований............................................ 181

5.1 Технологический процесс контроля качества поверхностного слоя облегченных деталей вафельной конструкции.......................................... 181

5.2 Технологический маршрут изготовления вафельных обечаек................... 183

5.3 Внедрение в производство технологического процесса изготовления деталей с применением методики оценки качества микроповерхности после размерной электрохимической обработки с использованием фрактального анализа.......................................................................................................................... 194

5.4 Выводы....................................................................................... 195

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................. 197

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................... 201

Приложение А. Акт внедрения на предприятии........................................ 212

Приложение Б. Акт внедрения в учебный процесс..................................... 213

Приложение В. Фрактальный анализ образцов.......................................... 214

Приложение Г. Методика оценки качества микроповерхности после размерной электрохимической обработки с применением фрактального анализа............................................................................................ 220

ВВЕДЕНИЕ

В машиностроении большое количество деталей имеет вафельную конструкцию с ячеистыми углублениями. Особенно часто такие конструкции используются в авиационно-космической отрасли, где они применяются для изготовления панелей, обтекателей из черных и цветных сплавов, корпусов топливных баков. Главным требованием к подобным изделиям является минимизация массы при сохранении высокой жесткости и прочностных свойств. С этой целью перемычки между углублениями уменьшают до величины, соизмеримой с глубиной измененного слоя, который становится необходимым элементом при оценке точности рассматриваемого элемента вафельных конструкций, и измерение и оценка микроповерхности металлических деталей после нетрадиционных технологических операций должно выполняться также нетрадиционными методами.

Для наиболее часто используемой в производстве таких деталей размерной электрохимической обработки (ЭХО) прямые физические измерения микронеровностей дают хотя стабильный, но неточный результат, что вызывает опасение утраты прочностных показателей силовых вафельных конструкций. Разработанный в последние годы метод оценки поверхностного слоя на основе фрактального анализа дает возможность перейти к расчету и назначению предельных размеров перемычек вафельных конструкций, сохраняя требуемые эксплуатационные характеристики при минимизации массы изделий.

Новый подход позволяет решить актуальную проблему проектирования и изготовления облегченных высокопрочных объектов вафельного типа, что востребовано в перспективных изделиях машиностроения и способствует созданию конкурентоспособной продукции отечественного машиностроения. Это направление работ актуально для промышленности и отвечает государственным программам страны.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной космической программой

России на 2006 - 2015 годы (с изменениями, утвержденными постановлением

Правительства Российской Федерации от 31 марта 2011 г. №235) и Программой

5

стратегического развития Университета машиностроения в период с 2012 по 2020 годы (от 28.11.2011 г.).

Целью диссертационного исследования является научное обоснование и установление рациональной области использования оценки микроповерхности металлических деталей после размерной ЭХО с использованием фрактального анализа применительно к технологии изготовления облегченных деталей вафельной конструкции.

Исходя из поставленной цели, определены задачи исследования:

1. Разработать методику оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО с применением фрактального анализа.

2. Описать механизм процесса формирования электрохимически обработанной поверхности на основе фрактального анализа, учитывающий стадию пленкообразования.

3. Создать математическую модель процесса формирования электрохимически обработанной поверхности на основе фрактального анализа, учитывающую стадию пленкообразования.

4. Исследовать взаимосвязи параметров режима размерной ЭХО, свойств поверхности и фрактальной размерности при обработке облегченных деталей вафельной конструкции.

5. Разработать процедуру регулирования режимов размерной ЭХО и оценки структурно-динамических свойств микроповерхности деталей вафельной конструкции, состоящую из критериев фрактальности микроповерхности и многомерной шкалы, учитывающей взаимосвязь параметров режима размерной ЭХО, фрактальной размерности и свойств поверхности.

6. Разработать технологический процесс контроля качества поверхностного слоя облегченных деталей вафельной конструкции.

Объект исследования - детали вафельной конструкции, обработанные размерной электрохимической обработкой.

Предмет исследования - оценка свойств электрохимически обработанной микроповерхности деталей вафельной конструкции с использованием фрактального анализа.

Теоретическая и методологическая основа исследования. В основе диссертационного исследования лежат теоретические концепции и методологические подходы отечественных и зарубежных ученых в области электрохимической обработки, методов оценки параметров поверхностного слоя деталей машин, фрактального анализа, теории шкал, обеспечивающие системность и комплексность изучения проблем эффективного производства деталей вафельной конструкции.

Основные методы исследования. Определение наличия у образцов фрактальных свойств осуществлялось совместным использованием специализированной компьютерной программы «Nova» и статистического анализа. Фрактальный анализ образцов выполнялся с использованием сканирующей зондовой микроскопии и программы «Nova». Независимый фрактальный анализ образцов производился в ИРЭ РАН методом сеток на специальном компьютерном программном обеспечении. Исследование взаимосвязи режимов размерной ЭХО, геометрических параметров поверхности и фрактальной размерности базировалось на математическом моделировании и на результатах фрактального анализа образцов. Поляризационные исследования осуществлялись с помощью потенциодинамического метода. Эксплуатационные исследования проводились на серийной установке ВЭДС-200 и на специально сконструированной установке рычажного типа с последующим металлографическим, спектральным и рентгеноструктурным анализом. Построение многомерной шкалы основывались на теории шкал.

Информационную и эмпирическую базу исследования составили сведения по состоянию и развитию метода размерной электрохимической обработки, методов оценки параметров поверхностного слоя деталей машин, нормативные документы, касающиеся вопросов шероховатости поверхности и проверки отклонения

вероятностей от нормального распределения, теория фракталов, а также результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.

Степень достоверности полученных результатов. Смоделированные значения параметра D, выступающие в качестве индикатора наличия на электрохимически обработанной поверхности кластера «роста» или кластера «разрушения», экспериментально подтверждены по данным фрактального анализа образцов с заведомо известной стадией формирования микроповерхности.

Выявлена высокая точность результатов, полученных как с использованием критериев фрактальности электрохимически обработанной поверхности, так и при вычислении фрактальной размерности в программе «Nova». Оценка проводилось по результатам многократной обработки структур с известной степенью фрактальности, а также по данным независимого исследования, проведенного в ИРЭ РАН.

Достоверность результатов работы подтверждается также внедрением результатов исследований на предприятии ЗАО ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева и в учебный процесс кафедры «Стандартизация, метрология и сертификация» Университета машиностроения.

Научной новизной работы являются:

1. Методика оценки качества поверхностного слоя с использованием фрактального анализа, учитывающего фактическую величину значимой части микронеровности после размерной ЭХО.

2. Математическая модель, отражающая связь значимых элементов микронеровностей, полученных после ЭХО, для выбранных значений фрактальной размерности, оцениваемых путем вариантных численных расчетов.

3. Описание механизма процесса формирования электрохимически обработанной поверхности на основе фрактального анализа.

4. Установленные взаимосвязи, позволяющие корректировать режимы размерной ЭХО адаптивными связями с требуемыми параметрами микроповерхности, с использованием оценки фрактальной размерности.

5. Научное обоснование использования методики оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО с учетом специфики изготовления и эксплуатации облегченных деталей вафельной конструкции.

В результате проведенного исследования получены теоретические и практические результаты, определяющие научную новизну и являющиеся предметом защиты:

1. Механизм и математическая модель процесса формирования поверхности тонкостенной детали после размерной ЭХО, построенные на базе фрактального анализа.

2. Методика оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО на примере деталей вафельной конструкции, спроектированной с применением фрактального анализа.

3. Теоретические подходы в построении многомерной шкалы для комплексной оценки характеристик поверхности с учетом ее фрактальных свойств.

4. Критерии фрактальности электрохимически обработанной поверхности.

5. Результаты экспериментальных исследований по определению взаимосвязи параметров режима размерной ЭХО, характеристик поверхности обрабатываемого материала и ее фрактальной размерности.

Практическая ценность:

1. Методика оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО с применением фрактального анализа, позволяющая повысить точность оценки микроповерхностии за счет последующей корректировки режима размерной ЭХО, а также облегчить вафельную конструкцию без утраты ее эксплуатационных качеств.

2. Многомерная шкала, учитывающая влияние фрактальной размерности на структурно-динамические характеристики поверхности.

3. Методика расчета эффективных режимов размерной ЭХО и способы оценки структурно-динамических свойств микроповерхности деталей вафельной конструкции, позволяющие с помощью многомерной шкалы установить фрактальность микроповерхности, оценить ее структурно-динамические свойства и

определить направление корректировки режима обработки.

9

4. Технологический процесс контроля качества поверхностного слоя облегченных деталей вафельной конструкции, как часть процесса изготовления, позволяющий повысить точность оценки качества микроповерхности и улучшить эксплуатационные показатели вафельных конструкций.

Реализация результатов работы. Разработанный технологический процесс контроля внедрен на предприятии ЗАО ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева. Критерии фрактальности микроповерхности на основе свойств показателя Херста включены в курс лекций «Инженерные методы обеспечения качества», читаемых кафедрой «Стандартизация, метрология и сертификация» Университета машиностроения.

Кроме того, теоретические, практические и методические результаты работы могут быть использованы при чтении лекций и проведении практических занятий по курсу: «Методы фрактального анализа» (направление подготовки бакалавров 221700.62), а также по программам дополнительного образования для работников машиностроительной отрасли.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке задачи, разработке методики оценки качества микроповерхности после размерной электрохимической обработки с применением фрактального анализа, формировании методического обеспечения экспериментальных исследований, математической обработке, анализе, обобщении, обсуждении и оформлении полученных результатов.

Использованная в диссертации ком�