автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение качества электроимпульсной обработки на основе прогнозирования износа инструмента и шероховатости обработанной поверхности

На правах рукописи

БУРДАСОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗНОСА ИНСТРУМЕНТА И ШЕРОХОВАТОСТИ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ком-сомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КнАГТУ») на кафедре «Технология машиностроения»

Научный руководитель: Сарилов Михаил Юрьевич,

доктор технических наук, доцент, зав. кафедрой «Машины и аппараты химических производств» Официальные оппоненты: Верхотуров Анатолий Демьянович, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории оптимизации регионального природопользования Института водных и экологических проблем ДВО РАН (г. Хабаровск)

Литовка Геннадий Васильевич,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Общей математики и информатики» Амурского государственного университета (г. Благовещенск)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджет-

ное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ТОГУ»)

Защита состоится « 27 » марта 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» по адресу 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», ауд. 201-3. Факс: 8-(4217)-54-08-87, 8-(4217)-53-61-50. E-mail: mdsov@knastu.ru ; office@knastu.ru . Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по указанному адресу. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ BIIO «КнАГТУ».

Автореферат разослан « 26 » февраля 2013 г.

Ученый секретарь чс/гро'&г^' Пронин А.И.

диссертационного совета / «¿S-7

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЬННАЯ

библиотека ?013

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из важных направлений повышения качества и точности обработки материалов в современном производстве являются контроль и прогнозирование износа инструмента и оценка шероховатости обрабатываемой поверхности. Однако, как показал анализ результатов исследований, существующие методы не позволяют комплексно контролировать износ электрода-инструмента и шероховатость в процессе электроимпульсной обработки материалов, а следовательно, выходные параметры с высокой степенью достоверности, в режиме реального времени.

Электроимпульсная обработка (ЭИО) в реальных условиях представляет собой сложный физический процесс, который носит нелинейный, стохастический характер. Экспериментальные исследования этого процесса в значительной степени затруднены вследствие сложности внедрения измерительных приборов непосредственно в зону обработки. Физико-химические процессы, протекающие при ЭИО обработке, очень сложны и скоротечны, поэтому возникают трудности при их теоретическом описании. Широкое использование средств вычислительной техники в современном станочном оборудовании позволяет управлять выходными параметрами процесса обработки на основе фундаментальных подходов к исследованию сложных систем. К числу таких подходов к исследованию сложных систем следует отнести теорию синергетики и её направление нелинейную динамику. Критерии нелинейной динамики позволяют судить об износе электрода-инструмента и шероховатости обработанной поверхности в процессе ЭИО, что позволяет проводить прогнозирование износа инструмента и оценки шероховатости в режиме реального времени, что в свою очередь позволяет повысить качество обрабатываемой поверхности.

В этой связи обеспечение качества ЭИО, оценка износа инструмента и шероховатости количественными характеристиками в режиме реального времени, исследование взаимосвязи износа инструмента и шероховатости с параметрами ЭИО, прогнозирование износа и шероховатости на основе критериев нелинейной динамики, корректировка процесса обработки с целью обеспечения качества является актуальной задачей современного машиностроения.

В настоящее время ЭИО в отечественном машиностроении приобретает все более широкое использование. Это обусловлено современными тенденциями развития обрабатывающей промышленности. На сегодняшний день ЭИО стала средством для получения недорогой высокоточной продукции в инструментальном и основном производстве.

Актуальность работы подтверждается выполнением ее в рамках НИР Г-27/10 «Физические принципы повышения надежности и устойчивости процессов механической и электрофизической обработки на основе кванто-во-механических моделей на микро- и наноуровнях».

Цель работы: повышение качества электроимпульсной обработки путем прогнозирования износа электрод-инструмента и шероховатости обработанной поверхности на основе подходов нелинейной динамики.

Для реализации указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. изучить возможность использования критериев нелинейной динамики для прогнозирования износа электрод-инструмента и оценки шероховатости обработанной поверхности, установить их зависимости от условий и параметров обработки;

2. выявить и дать объяснение диагностирующим признакам для контроля износа электрод-инструмента и параметров шероховатости обработанной поверхности на основе критериев нелинейной динамики;

3. определить и исследовать источники акустической эмиссии (АЭ) при ЭИО и параметры нелинейной динамики сигнала акустической эмиссии при электроимпульсной обработке;

4. установить и объяснить зависимости между величинами износа электрод-инструмента, шероховатостью поверхности и фрактальной размерностью параметров сигнала АЭ при регистрации сигнала;

5. разработать алгоритм прогнозирования износа электрод-инструмента и шероховатости обработанной поверхности;

6. оценить адекватность принятых моделей электроимпульсной обработки при помощи разработанной имитационной сеточной модели.

Методы исследования сочетают теоретический анализ и физический эксперимент. В теоретических исследованиях применялись методы теории цифровой обработки сигналов, технологии машиностроения, теории детерминированного хаоса, теории фракталов и теоретической нелинейной динамики. Экспериментальные исследования проводились по разработанной методике с помощью снятия и измерения параметров акустического сигнала на специально разработанных стендах в лабораторных условиях и в производственных условиях на технологическом оборудовании. Для обработки результатов экспериментов использовались статистические методы планирования.

Объекты исследования: процесс электроимпульсной обработки; электрод-инструмента для обработки металлов в процессе ЭИО материалов, применяемых в авиа-, судо-, и машиностроении; поверхность детали, обработанная электроимпульсным методом.

Предметы исследования: износ электрод-инструмента и шероховатость обработанной поверхности. Взаимосвязи между выходными качественными параметрами (износ применяемого инструмента, шероховатость) ЭИО, режимами электроимпульсной обработки и информационными параметрами нелинейной динамики (фрактальная размерность) через диагностические признаки сигнала АЭ, характеризующие физические закономерности процесса ЭИО. Взаимосвязи между износом применяемого инструмента, шероховатости обработанной поверхности при ЭИО, с одной стороны, параметрами режимов обработки - с другой, и критериями нели-

нейной динамики: фрактальной размерностью и размерностью аттрактора сигнала - с третьей.

Область исследований. Содержание диссертации соответствует п.2 «Теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействий» паспорта научной специальности 05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» (технические науки).

Научная новизна работы состоит:

1. в разработке нового подхода к исследованию стохастического процесса электроимпульсной обработки с помощью критериев нелинейной динамики сигнала акустической эмиссии, регистрируемого в процессе обработки для прогнозирования износа инструмента и шероховатости обработанной поверхности;

2. в установлении корреляционных связей между шероховатостью обработанной поверхности, износом электрод-инструмента, с одной стороны, и критериями нелинейной динамики: фрактальной размерности сигнала акустической эмиссии из межэлектродного промежутка и размерность аттрактора, восстановленного по сигналу акустической эмиссии - с другой;

3. в установлении характера зависимостей шероховатости обработанной поверхности, износа электрод-инструмента и фрактальной размерности реконструированного по сигналу акустической эмиссии аттрактора от частоты следования рабочих импульсов, скважности и количества гребней в импульсе (получен комплекс эмпирических уравнений на основе факторного планирования эксперимента).

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. рекомендации по практическому использованию прогнозирования износа электрод-инструмента и качества обработанных поверхностей на основе измерения сигналов АЭ на электроэрозионных копировально-прошивочных станках с ЧПУ, с целью уменьшения износа инструмента, повышению точности обработки, уменьшению количества деталей, отбракованных по параметру шероховатости, и повышения производительности электроимпульсной обработки на 10-12 %;

2. разработан комплекс программ для выбора оптимальных режимов ЭИО для различных материалов, позволяющий моделировать износ применяемого инструмента в процессе обработки методом реконструкции аттракторов по акустическим сигналам и профилограммам шероховатости обработанной поверхности с целью выявления корреляции между характером износа инструмента и качеством получаемой поверхности;

3. результаты теоретических и экспериментальных исследований по контролю износа электрод-инструмента и шероховатости обработанной поверхности внедрены в филиале ОАО «АХК «Сухой» «КнААЗ им. Ю.А. Гагарина», в учебном процессе ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», на кафедре «Техно-

логия машиностроения», «Машины и аппараты химических производств» и в рамках выполнения НИР Г-27/10 «Физические принципы повышения надежности и устойчивости процессов механической и электрофизической обработки на основе квантово-механических моделей на микро- и наноуровнях», выполняемому ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» по заказу Минобрнауки РФ (приложение 2).

Положения, выносимые на защиту:

1. полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований как в производственных, так и в лабораторных условиях, при ЭИО различных конструкционных материалов, установленные основные закономерности между входными и выходными параметрами электроимпульсной обработки, в частности скорость износа электрод-инструмента, шероховатость обработанной поверхности, производительность обработки от частоты следования импульсов, скважности;

2. установленные зависимости величины износа электрод-инструмента (ЭИ) и шероховатости обработанной поверхности от управляющих параметров ЭИО материалов, широко применяемых в машиностроении;

3. установленные связи величины износа электрод-инструмента и шероховатости обработанной поверхности от критериев нелинейной динамики, в частности фрактальной размерности сигнала АЭ, регистрируемой в процессе обработки, в режиме реального времени. С увеличением ЭИ и шероховатости возрастает фрактальная размерность сигнала АЭ;

4. методика контроля и прогнозирования износа электрод-инструмента и шероховатости поверхности на основе критериев нелинейной динамики по сигналам акустической эмиссии, регистрируемых в процессе обработки.

Личный вклад автора: постановка проблемы в целом, постановка задач аналитических и экспериментальных исследований, непосредственно проведение экспериментов, обработка результатов и их интерпретация, разработка и верификация алгоритмов, используемых в зарегистрированных программных продуктах; разработка рекомендаций и методик прогнозирования износа электрод-инструмента и шероховатости обработанной поверхности при ЭИО в режиме реального времени.

Апробация результатов исследования. Основные положения работы были представлены, докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов и аспирантов КнАГТУ, г. Комсомольск-на-Амуре, в период 2007-2012 гг.; на международной образовательной конференции «National Instruments», г. Москва, 2008 г.; на международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов», г. Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.; на XII краевом конкурсе-конференции молодых учёных и аспирантов, г. Хабаровск, 2010 г.; на всероссийской молодежной конференции МТИ-2011. г. Москва, СТАНКИН, 2011 г.; на международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении», г. Пенза, 2011 г.; на российской научно-практической конфе-

ренции «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения», г. Комсомольск-на-Амуре, 2011 г.; на IX Всероссийской научно-технической конференции. ДНДС-2011, г. Чебоксары, 2011 г.; на международной научно-практической конференции, г. Тамбов, 2011 г.; на 13 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technology, Harbin, China, 2012 r.

Публикации. Основное содержание диссертации, полученные результаты, выводы и рекомендации опубликованы в 16 работах, в том числе 5 - в журналах, входящих в перечень ВАК, 3 - авторские свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, 6 - в материалах международных и всероссийских конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, заключения, библиографического списка использованной литературы, состоящего из 102 наименований, и 2 приложений. Основная часть работы изложена на 125 страницах мапшнописного текста, содержит 43 рисунка и 16 таблиц, два приложения на 14 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснована актуальность темы диссертационной работы, конкретизировано направление и выбран объект исследования.

В первой главе проведен аналитический обзор научной литературы, а также материалов международных и общероссийских конференций, посвященных проблемам контроля и прогнозирования параметров процесса ЭИО. Проанализированы преимущества рассматриваемых методик прогнозирования показателей процессов ЭИО перед традиционными методами анализа устойчивости динамических систем.

Исследование динамических процессов при обработке материалов и в решении проблемы управления динамическими системами рассмотрено в работах А.А. Кудинова, Б.М. Бржозовского, И.Г. Жаркова, B.J1. Заково-ротного, Ю.Г. Кабалдина, А.В. Кудинова, С.С. Кедрова, А.В. Пуша, M.JI. Орликова и др. Вопросы прогнозирования и управления процессами ЭИО исследовали Б.Р. Лазаренко, Б.Н. Золотых, А.С. Зингерман, И.Г. Некраше-вич, А.Я. Артамонов, Иноуэ Киси, В.А. Ким, ФЛ. Якубов, В.М. Нуждов, А.И. Левит, А.Г. Суслов, Ю.С. Волков, А.Д. Верхотуров, Л.Я. Попилов, JI.A. Ушомирская, В.К. Глухих и др., однако рассмотренные методы оценки динамических процессов обработки материалов имеют один существенный недостаток - невозможность оценить динамику непосредственно в процессе обработки. Однако уровень развития техники в настоящее время позволяет производить оценку динамических процессов в ходе обработки, поэтому необходимо разрабатывать новые методы оценки динамики процесса обработки металлов.

Большой вклад в исследование и анализ размерной электроимпульсной обработки и се использование в современном производстве внесли отечественные и зарубежные ученые супруги Б.Р. и Н.И Лазаренко, БД.

Золотых, К.К. Намитоков, Н.К. Фотеев, ЯЛ. Попилов, Л.С. Палатник, В.Н. Подураев, В.П. Смоленцев, Б.П. Саушкин, Б.И. Ставицкий, А.Л. Лившиц, М.Ш. Отго, А.Т. Кравец, И.Г. Некрашевич, М.К. Мицкевич, Б.А. Красюк, В.В. Любимов, Л.А. Ушомирская, А.Д. Верхотуров, В.А. Ким, Иноуэ Киси и ряд др. Проанализировав современное состояние методов исследования процессов ЭИО и параметров ее качества, были выявлены современное состояние вопросов эффективности применения ЭИО, существующие проблемы данной обработки в области обеспечения точности и качества. Определена степень влияния динамики процесса на параметры ее эффективности, такие как производительность и качество обработанной поверхности.

Отмечено, что исследования динамики ЭИО для обеспечения качества обработки детали, прежде всего, должны быть направлены на установление взаимосвязи динамических явлений и качества поверхности детали. Таким образом, до настоящего времени мы не имеем достаточно полных и хорошо обоснованных математических моделей из-за сложности процесса электроимпульсной обработки детали. Поэтому для исследования динамики процесса следует применять новые подходы, одним из которых является нелинейная динамика.

Во второй главе изложены методы прогнозирования износа электрод-инструмента и шероховатости обработанной поверхности при ЭИО. Представлены технические характеристики используемого технологического оборудования, измерительных преобразователей (датчиков) и аппаратуры для наблюдения и записи результатов измерения. Описаны количественные характеристики устойчивости динамических систем. Представлены методики проведения экспериментов. Динамические процессы при обработке существенно влияют на точность и качество обработки. Предложен ряд уравнений, показывающих нелинейный характер основных зависимостей ЭИО.

Изложен новый подход к моделированию динамических процессов при ЭИО на основе качественной теории дифференциальных уравнений и фрактального анализа. В результате предложена новая характеристика процесса обработки, характеризующая ее динамическую устойчивость в контексте эволюции - фрактальная размерность. Фрактальная размерность определяет степень самоорганизации динамической системы обработки. Использование вэйвлет-анализа позволило определить эти характеристики в режиме реального времени, т.е. в эволюционном развитии системы.

Методы фрактального анализа и теории информации, позволяющие находить глобальные взаимосвязи между переменными, входящими в структуру системы управления, и на основании этого производить оптимизацию обработки по величине фрактальной размерности сигнала, судят о степени хаотичности самого процесса. Анализ стабильности процесса по величине фрактальной размерности проводится по исследованию структуры самого сигнала, имеющего фрактальную структуру.

Анализ источников акустической эмиссии при электроимпульсной обработке представлен на рис. 1.

1 - ударная волна; 2 - реактивное давление выбрасываемого материала; 3 - нестационарные термоупругие напряжения; 4 - структурно-фазовые превращения (дислокационные процессы); 5 - образование и развитие микротрещин; 6 - электропластическая деформация.

В результате можно считать, что совокупность всех перечисленных источников АЭ является волновой реакцией материала на электрический импульс, т.е. Щ = + Г, + + + ,

где 1¥т - суммарная энергия волн АЭ, вызванных всеми пятью источниками; IV^ - энергия волн АЭ, вызванных ударной волной; шг - энергия волн АЭ, вызванных реактивным давлением паров; И7,, - энергия волн АЭ, вызванных волнами упругих напряжений; >Кф - энергия волн АЭ, вызванных структурно-фазовыми превращениями; №г - энергия волн АЭ, возникающих вследствие образования и развития микротрещин;

Гэп - энергия волн АЭ, возникающих вследствие электро-пластической деформации.

При ЭИО металлов периодически происходит диссипация энергии, следовательно, использование вейвлет-анализа в качестве диагностики процесса обработки является оптимальным. Результатом вейвлет-преобразования одномерного ряда является двухмерный массив значений в пространстве - временной масштаб, временная локализация - дает информацию относительно вклада различных компонент разного масштаба в виде вейвлет-спектра.

Вейвлет-спектр выявляет не только иерархическую структуру анализируемого сигнала, но и способ построения фрактальной меры, на которой оно сформировано. Каждый акт диссипации отмечен на картине локальных максимумов появлением характерной яркой области на вейвлет спектре.

Исследования проводились на следующих широко используемых в машиностроении и авиационной промышленности и широко распространенных конструкционных материалах с различными типами кристалличе-

ской решетки: 1. сплавы на основе железа - стали 45, 5ХНМА (решетка ОЦК); 2. титановые сплавы - ВТ20, ОТ4 (решетка ГПУ); 3. алюминиевые сплавы - АК4, Д16 (решетка ГЦК).

В качестве объекта экспериментальных исследований использовался электроэрозионный копировально-прошивочный станок с адаптивным программным управлением модели 4Л721Ф1 с широкодиапазонным генератором импульсов ШГИ-40-440М с номинальным током 40 А и максимальной частотой следования импульсов 440 кГц. В системе отсчета глубины обработки детали применены устройство цифровой индикации типа Ф5246 и бесконтактный сельсин БС-155А. В системе рабочей подачи электрод-инструмента применены высокомоментный двигатель постоянного тока ДПУ 127-220-1-30-Д09 со встроенным тахогенерагором ТГ1 и комплектный привод типа ЭШИР-1-А с транзисторным широкоимпульсным преобразователем. При проведении исследований использовались следующие рабочие жидкости: сырье углеводородное для производства сульфа-нола (ТУ 38.101845-80) и рабочая жидкость РЖ-3 для электроэрозионных станков (ТУ 38.101883-83). Исследовательский стенд представлен на рис.2.

_1

\

Г1-, Предварительный усилитель Блок фильтров

Рис. 2. Стенд для проведения исследований при ЭИО: 1 медный инструмент-электрод; 2 обрабатываемый образец;

3 пьезоэлектрический преобразователь GT200;

4 предварительный усилитель; 5 - блок фильтров; 6 основной усилитель; 7 - блок интегрирования; 8 - генератор импульсов;

9 - цифровой осциллограф; 10 - плата АЦП; 11 - ПЭВМ.

На основе полученных экспериментальных данных рассчитывались динамические характеристики ЭИО. Расчеты производились с применением разработанного программного обеспечения, в частности Statgraphics Plus 5.0, Image.Pro.Plus. 5.1, DynAnalyzer. Разработанные математические алгоритмы нелинейной динамики позволили проводить реконструкцию аттракторов динамических систем и оценку фрактальной размерности, информационной энтропии на основе анализа сигнала акустической эмиссии, рассматриваемых как временные ряды.

Выбор оптимальных по производительности к качеству обработанной поверхности связан с большим объемом экспериментальных работ. Для получения максимальной информативности при минимальном объеме экспериментальных работ при разработке стратегии исследования на первом этапе был использован метод математического планирования эксперимента. Обработка результатов опытов, полученных при реализации матрицы, позволяет получить эмпирическую модель процесса, адекватно описывающую процесс ЭИО.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований по износу электрод-инструмента в зависимости от режимов ЭИО и критериев нелинейной динамики, в частности фрактальной размерности.

Для получения максимальной информативности при минимальном объеме экспериментальных работ при разработке стратегии исследования на первом этапе был использован метод композиционного рототабельного факторного планирования эксперимента. Из всего многообразия факторов были выбраны: частота следования рабочих импульсов/. кГц, скважность с/, количество гребней в импульсе к , шт. Названная совокупность факторов удовлетворяет требованиям совместимости и отсутствия линейной корреляции.

В результате обработки были получены следующие уравнения в натуральных величинах:

У^.к) = ().0024/-0.<1088/А-0.084/?/+// 03/+0.111С-0.1 1кц-0.09к+0.15^+3.51^-0.83, Ка(/,Ч,к) = 0.044/-0.085/-0.09к2+0.14к+1.49Ч-5.53,

а их графические отображения, представлены на рис. 3._

Ла^, к) Ш(Щ

Рис. 3. Графические зависимости износа и шероховатости от параметров ЭИО

На основании литературного обзора и теоретических исследований была выявлена ярко выраженная нелинейность зависимостей при ЭИО.

Для установления зависимости между износом ЭИ, фрактальной размерности сигнала АЭ от частоты следования импульса и скважности был проведён ряд экспериментов, результаты которых представлены на рис. 4,5.

Ц»1-;

» ода

Рис. 4. Зависимости износа электрод-инструмента и фрактальной размерности сигнала АЭ от частоты следования импульсов для различных обрабатываемых материалов

» 1» № Ш ¿■Чшготитулк»

И М 150 Ж0 £0

«Пьчсш* нмумси

♦014

••»«I» —Ш

Рис. 5. Зависимости износа электрод-инструмента и фрактальной размерности сигнала АЭ от скважности для различных обрабатываемых материалов

В результате проведённых экспериментальных исследований было выявлено, что характер зависимостей скорости износа ЭИ и фрактальной размерности сигнала АЭ от параметров обработки подобны друг другу для всех обрабатываемых материалов. Это позволяет использовать фрактальную размерность в качестве диагностирующего признака при оценке износа ЭИ. Численные значения коэффициента корреляции между износом ЭИ и фрактальной размерностью сигнала АЭ при изменении частоты: ОТ4 -

0,891; АК4 - 0,750; 5ХНМА - 0,799; Сталь45 - 0,88; при изменении скважности: ОТ4 - 0,879; АК4 - 0,771; 5ХНМА - 0,924; Сталь45 - 0,742.

Также исследования показали, что наиболее тесной корреляцией с производительностью ЭИО обладает один из параметров сигнала АЭ -фрактальная размерность (рис. 6). То есть фрактальная размерность сигналов, регистрируемых в процессе ЭИО, может являться диагностическим показателем эффективности обработки.

Стапь4Ь —в~~ОМ 5ХНМ А

110 130 150 170 190 210 Производительность ЭИО, ммУмин

Рис. 6. Зависимость фрактальной размерности сигнала АЭ от производительности ЭИО различных материалов

В результате анализа экспериментальных данных установлено, что фрактальная размерность сигнала АЭ изменяется в сторону увеличения от скорости износа и существенно зависит от обрабатываемого материала, т.е. возрастает степень хаотичности ряда.

*

8 .

—Сталь 45

-5ХН МЛ ""•»""АИД

Интенсивность массового износ«, 10 'г/мин

Рис. 7. График зависимости фрактальной размерности от скорости износа медного электрод-инструмента при ЭИО различных материалов

Представленная на рис. 8 реконструкция аттракторов сигнала АЭ при ЭИО стали 5ХНМА медным электродом в режиме реального времени показала взаимосвязь фрактальной размерности аттрактора от износа ЭИ.

Ь = 0,0411 ц =1,049 И = 0,0955 0 =1,066

эи О эи О

Рис. 8. Реконструкция аттрактора по сигналам АЭ при ЭИО с частотой 22 кГц, <у~ 13

Установлено, что при изменении износа ЭИ форма аттрактора почти не меняется, но размерности аттрактора возрастает. Это свидетельствует об увеличении хаотичности динамических процессов обработки.

Анализ спектров временных рядов сигналов АЭ в процессе обработки показал (рис. 9) смещение частоты в сторону увеличения от износа ЭИ и увеличения мощности сигнала, что свидетельствует об увеличении энергии, затрачиваемой в процессе ЭИО.

и -v,\JУJJ и— 1,иии

эи и эи 0

Рис.9.Спектрывремеиныхрядов1юсип1алам АЭ при ЭИО с частотой /=22кГц, ¿/=1,3

В четвертой главе были проведены аналогичные исследования для выявления зависимостей и корреляции между параметрами нелинейной динамики сигнала АЭ и шероховатостью обработанной поверхности.

В результате эксперимента установлено, что фрактальная размерность сигнала АЭ зависит от шероховатости, причем с увеличением шероховатости фрактальная размерность увеличивается для всех исследуемых

Рис.10. Зависимость фрактальной размерности сигнала АЭ при ЭИО от параметра шероховатости Ка обработанной поверхности при обработке стали 45, титанового сплава ОТ4, алюминиевого сплава АК4, стали 5ХНМА

Основными параметрами обработки, влияющими на шероховатость, являются частота импульсов и скважность. При увеличении этих показателей параметр шероховатости обработанной поверхности уменьшается (рис. 11). Такая же зависимость присутствует между этими параметрами обработки и фрактальной размерностью АЭ, при этом вне зависимости от марки обрабатываемого материала.

чктвп милумоа, кГц Скмжностъ, Ч

Рис. 11. Зависимости фрактальной размерности О0 и параметра шероховатости Яа от частоты следования импульсов/, от скважности ц, при обработке стали Ст. 45, титанового сплава ОТ4, алюминиевого сплава АК4, стали 5ХНМА

Таким образом, анализ зависимостей показывает наличие корреляции зависимостей шероховатости Яа и фрактальной размерности О0 от параметров обработки, что позволяет использовать фрактальную размерность сигнала АЭ. В качестве диагностирующего признака при прогнозировании шероховатости в процессе ЭИО.

Результатом корреляционного анализа стало выявление коэффициентов корреляции для пары параметров фрактальная размерность - шероховатость, значения которых не меньше 75 %. Так, при изменении скважности коэффициент корреляции для исследуемых материалов лежит в диапазоне 80-90 % АК4 - 0,825, ОТ4 - 0,865, 5ХНМА - 0,804, Сталь45 - 0,923, при изменении частоты: АК4 - 0,899, ОТ4 - 0,790, 5ХНМА - 0,783, Сталь45 - 0,812.

Анализ реконструкции аттракторов и спектров временных рядов сигнала АЭ при ЭИО с увеличением шероховатости показал, что размерность аттрактора растет, увеличивается мощность сигнала и происходит его незначительное смещение в область высоких частот (рис. 12,13).

Яа=8 мкм, О0= 1,025 Яа=12,5 мкм, 00=1,040 Яа=18 мкм, 00=1,073 Рис. 12. Реконструкция аттрактора по сигналам АЭ при ЭИО с частотой /= 22 кГц, ц = 1,3 в зависимости от шероховатости И.а

Яа-8 мкм 11а-12,5 мкм Яа-18мкм

Рис. 13. Спектры временных рядов по сигналам АЭ при ЭИО с частотой /=22кГц, д=1,3 при изменении шероховатости

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований был разработан алгоритм прогнозирования износа электрод-инструмента и шероховатости обработанной поверхности при ЭИО. В результате реализации расчетных алгоритмов получается диагностическая информация, являющаяся управляющим сигналом для блока управления. Блок управления выдает управляющее воздействие для корректировки параметров ЭИО, в частности частота следования импульсов, скважность и количество гребней в импульсе (рис.14).

Процесс ЭИО

Сигнал АЭ

Обработка сигнала

0 о Размерность аттрактора

Блок управления параметрами обработки я,/, к

Яа Ь ЭИ

Рис. 14. Алгоритм прогнозирования износа ЭИ и шероховатости обработанной поверхности

В пятой главе с целью обоснования достоверности полученных зависимостей шероховатости обработанной поверхности и износа электрод-инструмента от условий обработки, оненки адекватности и исследования качества исполнения поверхности при ЭИО была разработана компьютерная имитационная модель. Моделирование процесса ЭИО производится в соответ-

Рис. 15. Алгоритм компьютерного моделирования процесса ЭИО

Процесс имитационного компьютерного моделирования условно можно разделить на следующие этапы:

- назначаются размеры рабочей области и ячейки сетки, задаются технологические параметры процесса ЭИО, затем на основании этих данных строится сеточная модель рабочей области;

- используя сеточную модель, производится расчет напряженности электрического поля в ячейках сетки в зависимости от текущего положения электродов и концентрации продуктов эрозии в рабочей жидкости;

- рассчитывается электрическая прочность локальных участков рабочей жидкости, в зависимости от концентрации содержащихся в них продуктов обработки, и производится проверка возможности возникновения электрического пробоя между электродом-инструментом и электродом-заготовкой;

- если для данного положения электродов и концентрации продуктов эрозии пробой межэлектродного промежутка возможен, то рассчитывается траектория образования электрической дуги;

- в местах соприкосновения дуги с электродами формируются эрозионные лунки и рассчитываются направления разлета продуктов эрозии, образовавшихся в лунках;

- с учетом вновь образовавшихся продуктов обработки производится глобальный расчет движения всех продуктов эрозии в рабочей жидкости. При этом в случае использования принудительной прокачки рабочей жидкости всем частицам продуктов эрозии придается импульс, направление которого совпадает с направлением прокачки;

- затем снова производится расчет напряженности электрического ноля в ячейках сетки в зависимости от текущей концентрации продуктов эрозии, и процесс моделирования итерационно повторяется.

Для построения сеточной модели рабочей области задаются диаметр электрода-инструмента глубина прошиваемого отверстия Но (рис. 16), тип РЖ и напряжение, подаваемое на электроды. Исходя из элекгрических свойств используемой РЖ и напряжения импульсов, рассчитывается номинальный (для чистой РЖ) размер МЭИ Нмэп-

и -Пл.

"мэп ~ „ ' Е-р

где ии - напряжение импульса, В;

Елр - электрическая прочность незагрязненной РЖ, В/м. Исходя из рассчитанного йл/эл, выбирается размер ячейки сетки / таким образом, чтобы МЭП укладывался в целое число ячеек сетки и составлял не менее трех ячеек. При использовании в качестве РЖ керосина и напряжении импульсов, равном 200 В, размер ячейки сетки выбирается в интервале от 1 до 10 мкм и размер МЭП составляет от 3 до 28 ячеек. На основании геометрических размеров электродов Н0 и величины МЭП задается ширина IV и высота Я сеточной модели, выраженные в количестве ячеек.

В результате имитационного моделирования процесса образования единичных разрядов в межэлектродном промежутке установлено, что проис-

ходит повышенный износ электрод-инструмента на углах в связи с концентрацией в этих местах силовых линий напряженности электрического поля.

г 1

Рис. 16. Сеточная модель рабочей области: 1 - электрод-инструмент; 2 электрод-заготовка; 3 рабочая жидкость

При имитационном моделировании процесса образования продуктов эрозии в результате каждого единичного разряда установлено, что суммарное действие износа электрод-инструмента и продуктов эрозии изменяет величину межэлсктродного зазора и, как следствие, форму и размеры обрабатываемого отверстая.

Проведенные компьютерные эксперименты подтвердили адекватность разработанной имитационной модели процесса ЭИО. Погрешность между экспериментальными и полученными с помощью модели результатами не превысила 6 %.

В приложении 1 представлены результаты исследований о возможности использования предложенной методики для прогнозирования износа режущего инструмента при точении. В приложении 2 приведены акты о внедрении результатов работы и свидетельства об официальной регистрации программ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В работе решена актуальная научно-техническая задача, состоящая в разработке алгоритмов прогнозирования износа инструмента и шероховатости обработанной поверхности при элекгроимпульсной обработке различных материалов на основе подходов нелинейной динамики.

2. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования электроимпульсной обработки материалов, широко используемых в машиностроении, показали, что шероховатость обработанной поверхности и износ электрода-инструмента можно прогнозировать по фрактальной размерности сигнала акустической эмиссии из межэлсктродного промежутка и размерности аттрактора, восстановленному по сигналу АЭ.

3. Установлен характер зависимостей шероховатости обработанной поверхности и износа электрод-инструмснта от основных технологических параметров электроимпульсной обработки: частота следования рабочих импуль-

сов, скважность, количество гребней в импульсе (получен комплекс эмпирических уравнений на основе факторного планирования эксперимента).

4. Разработаны технологические рекомендации для разных этапов обработки: при черновой обработке для минимизации износа и увеличения производительности необходимо использовать частоту следования рабочих импульсов от 8 до 22 кГц, скважность от 5,8 до 6,4, количество гребней в импульсе от 7 до 8; при чистовой обработке для минимизации шероховатости необходимо использовать частоту следования рабочих импульсов от 220 до 440 кГц, скважность от 1,3 до 1,7, количество гребней в импульсе от 6 до 7.

5. Разработана сеточная имитационная модель, основанная на физических процессах, происходящих при электроимпульсной обработке, которая позволила подтвердить достоверность полученных эмпирических зависимостей, определить зоны повышенного износа в углах и описать изменение величины межэлектродного зазора за счет образования продуктов эрозии. Расхождение результатов не превышает 6 %.

6. Применение разработанных технологических рекомендаций при электроимпульсной обработке позволяет повысить качество обработанной поверхности (снизить высотный параметр Ra шероховатости) в 1,2...2 раза при обработке материалов стали 45, 5ХНМА, ОТ4, АК4 и снизить массовый износ электрода инструмента до 38 %, что позволяет уменьшить трудоемкость изготовления детали и ее себестоимость.

7. Результаты исследований внедрены в филиале ОАО «АХК «Сухой» «КнААЗ им. Ю.А. Гагарина», а также на кафедре «Технология машиностроения» в учебный процесс дисциплин «Теория надежности изделий», «Методы обработки поверхностей», «Технология машиностроения» и на кафедре «Машины и аппараты химических производств» в учебный процесс дисциплин «Надежность и техническая диагностика систем» и «Технология машиностроения» в ФГБОУ ВПО «КнАГ'ТУ».

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК

1. Сарилов, М.Ю. Исследование критериев корреляции между параметрами нелинейной динамики и шероховатостью поверхности при электроэрозионной обработке / М.Ю. Сарилов, E.H. Бурдасов // Вестник машиностроения. - 2008. - № 12. - С. 52-55.

2. Биленко, C.B. Исследование процесса электроэрозионного прошивания отверстий / C.B. Биленко, М.Ю. Сарилов, E.H. Бурдасов, А.Э. Маслацова //Фундаментальные исследования. - 2012. - № 9. (Часть 4) -С. 882-888.

3. Бурдасов, E.H. Исследование устойчивости процесса электроэрозионной обработки на основе фрактального анализа / E.H. Бурдасов, М.Ю. Сарилов //Ученые записки КнАГТУ. - 2012. - № 3. - С. 66-70.

4. Бурдасов, E.H. Исследование устойчивости процесса электро-

эрозионной обработки с использованием критериев нелинейной динамики / E.H. Бурдасов, М.Ю. Сарилов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2012. - Том 14. - № 1. - С. 344 - 348.

5. Биленко, C.B. Компьютерное моделирование процесса электроэрозионной прошивки отверстий / C.B. Биленко, М.Ю. Сарилов, E.H. Бурдасов, А.Э. Маслацова // Ученые записки КнАГТУ. - 2012. - № 4. - С. 62 -69.

Патенты, свидетельства

6. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. ВНТИЦ № 2006613242. Программа «Исследование динамической системы на основе фрактального и вейвлет анализа - динамический анализатор». Авторы: Кабалдин Ю.Г., Серый C.B., Бурдасов E.H., Муравьев С.Н. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ, 2006 г.

7. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. ВНТИЦ № 2007613773. Программа «Определение коэффициента корреляции при электроэрозионной обработке KoKTDA». Авторы: Сарилов М.Ю., Бурдасов E.H. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ, 2007 г.

8. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. ВНТИЦ № 2011614887. Программа «Blanked calculator». Авторы: Бреев C.B., Бурдасов E.H. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ, 2011 г.

Материалы Всероссийских и Международных конференций

9. Бурдасов, E.H., Сарилов М.Ю. Акустическая эмиссия и ее применение для исследования процесса электроэрозионной обработки: Материалы Российской научно-практической конференции «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения». Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО КнАГТУ, 2011. - С. 224-226.

10. Бурдасов, E.H., Сарилов М.Ю., Загалеев М.Р., Александров A.B. Акустическая эмиссия как инструмент для исследования процесса электроэрозионной обработки. Сб. статей международной научно-технической конференции - Пенза: ПДЗ, 2011. - С. 22-23.

11. Бурдасов, E.H., Сарилов М.Ю. Аппаратура и способы регистрации параметров акустической эмиссии при электроэрозионной обработке. Материалы всероссийской молодежной конференции МТИ-2011. Сборник докладов - Москва: МГТУ СТАНКИН, 2011. - С. 115-118.

12. Бурдасов, E.H., Сарилов М.Ю. Исследование процесса электроэрозионной обработки с помощью анализа сигналов акустической эмиссии. Сб. научных трудов международной научно-практической конференции - Тамбов: Изд-во Бизнес-Наука-Общество, 2011. - С. 34 - 35.

13. Бурдасов, E.H., Сарилов М.Ю. Фрактальный и вейвлет-анализ динамических процессов механообработки. - Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: Материалы 9 Всероссийской научно-технической конференции. ДНДС-2011 - Чебоксары: Изд-во Чуваш, гос. ун-та, 2011. - С. 33-35.

14. Бурдасов, E.H., Сарилов М.Ю. Оценка устойчивости электроэрозионной обработки. Сб. статей XV международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроению) - Пенза: ПДЗ. - декабрь 2011. - С. 175-179.

Публикации в других изданиях

15. Бурдасов, E.H., Сарилов М.Ю. Применение акустической эмиссии для анализа состояния технологических объектов и процессов: Материалы 41 -ой научно-технической конференции аспирантов и студентов, в 4 ч -Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ». - 2011. - 4.1. - С. 86-87.

16. Бурдасов E.H., Сарилов М.Ю. Экспериментальный стенд для исследования сигнала акустической эмиссии при электроэрозионной обработке: Материалы 42-ой научно-технической конференции аспирантов и студентов, в 4 ч - Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ». -2012. - 4.1. - С. 87-89.

БУРДАСОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗНОСА ИНСТРУМЕНТА И ШЕРОХОВАТОСТИ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 21.01.2013 г. Формат 60 х 84 1/16. Бумага 65 г/м2. Ризограф Е2570е. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,35. Тираж 100 экз. Заказ 25398.

Полиграфическая лаборатория Федерального государственного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский на Амуре государственный технический университет» 681013. г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27

-{ з - з о 6®

2012251684

2012251684

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

На правах рукописи

БУРДАСОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗНОСА ИНСТРУМЕНТА И ШЕРОХОВАТОСТИ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

ю

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Сарилов М.Ю.

ю ю со

со

о см

иб

о

СМ 5

Комсомольск-на-Амуре 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ......................................................................................................20

1 1 Современное состояние вопросов эффективности применения

элекфоимпульсной обработки 20

12 Исследование износа электрод-инсфумеша при элекфоимпульсной обработке 31

1 3 Исследования шероховатости обработанной поверхности после

электроимпульсной обработки 33

1 4 Роль рабочей жидкое ж в процессе эпекфоискровой обрабо1Ки 35

1 5 Применение подхо юв нелинейной динамики цля исследования процессов

элек гроимпульсной обработки 38

1 6 Постановка задачи исследования Цель и задачи работы 45 ГЛАВА 2 МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ .................................. 47

2 1 Описание объекта и предмета исследований, измерительных преобразователей и применяемой аппаратуры для наблюдения и записи результатов 47

2 2 Методики проведения экспериментальных и теоретических исследований 51

2 3 Анализ сигнала акустической эмиссии peí исфируемой в процессе

элек гроимпульсной обрабо1ки 57

2 4 Применение вейвлсм-преобразования дня прогнозирования по сшнапам

акусiической эмиссии 60

2 5 Методология npoi нозирования износа Э1Гсктроц-инстр\мен1а и шероховатости обработанной поверхнос!и 63

2 6 Выводы по паве 67 ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗНОСА ЭЛЕКТРОДА-ИНСТРУМЕНТА ........68

3 1 Исследование впияния параметров эпектроимпульсной обрабо1ки на износ

элек i рода-инструмента 68

3 2 Исследование зависимостей параметров нелинейной динамики от режимов электроимпульсной обработки при изменении износа 74

3 3 Уаановтенис корре 1яционных зависимости меж i\ износом j 1еырод-инстр\меша и парамефами нелинейной динамики сигнала акус i ической эмиссии 83

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ.......................................................................................................88

4.1 Исследование влияния параметров электроимпульсной обработки на шероховатость обработанной поверхности...............................................................................88

4.2 Исследование зависимостей параметров нелинейной динамики от режимов электроимпульсной обработки при изменении шероховатости обработанной поверхности..................................................................................................................................93

4.3 Установление корреляционных зависимостей между шероховатостью обработанной поверхности и параметрами нелинейной динамики сигнала акустической эмиссии.................................................................................................................98

4.4 Рекомендации по режимам обработки для минимизации шероховатости обработанной поверхности и алгоритм прогнозирования.....................................................104

4.5 Выводы по главе..................................................................................................................107

ГЛАВА 5. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ............................................................109

5.1 Математическое моделирование и вычислительный эксперимент................................109

5.2 Имитационное компьютерное моделирование процесса электроэрозионной обработки....................................................................................................................................116

5.3 Проверка адекватности имитационной компьютерной модели процесса электроимпульсной обработки.................................................................................................136

5.4 Выводы по главе..................................................................................................................138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................140

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ...................................141

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЕ 1....................................................................................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ 2....................................................................................................158

ВВЕДЕНИЕ

В диссертационной работе рассматривается актуальная для машиностроительного производства научная и производственная проблема повышения качества электроимпульсной обработки на основе прогнозирования износа электрода-инструмента и шероховатости обработанной поверхности при электроимпульсной обработке методами нелинейной динамики. Обеспечение надежности и эффективности процесса электроимпульсной обработки невозможно без информации о текущем состоянии электрода-инструмента и шероховатости обрабатываемой поверхности. Недоступность зоны обработки, сложность и скоротечность, многофакторность процесса ЭИО вынуждает строить модели и судить о процессе в МЭП, износе ЭИ и качестве обработанной поверхности по косвенным параметрам. Несмотря на значительные успехи в области прогнозирования износа ЭИ и шероховатости проблема повышения точности и качества ЭИО, быстродействия, надежности и простоты технической реализации и инвариантности к условиям ЭИО остается.

Актуальность темы. Одним из важных направлений повышения качества и точности обработки материалов в современном производстве являются контроль и прогнозирование износа инструмента и оценка шероховатости обрабатываемой поверхности. Однако, как показал анализ результатов исследований, существующие методы не позволяют комплексно контролировать износ электрода-инструмента и шероховатость в процессе электроимпульсной обработки материалов, а следовательно, выходные параметры с высокой степенью достоверности, в режиме реального времени.

Электроимпульсная обработка (ЭИО) в реальных условиях представляет собой сложный физический процесс, который носит нелинейный, стохастический характер. Экспериментальные исследования этого процесса в значительной степени затруднены вследствие сложности внедрения

измерительных приборов непосредственно в зону обработки. Физико-химические процессы, протекающие при ЭИО обработке, очень сложны и скоротечны, поэтому возникают трудности при их теоретическом описании. Развитие средств ЭВМ и их широкое распространение в современном производстве позволяет, используя основополагающие принципы изучения сложных систем, регулировать выходные параметры процесса обработки. К числу таких подходов к исследованию сложных систем следует отнести теорию синергетики и её направление нелинейную динамику. Критерии нелинейной динамики позволяют судить об износе электрода-инструмента и шероховатости обработанной поверхности в процессе ЭИО, что позволяет проводить прогнозирование износа инструмента и оценки шероховатости в режиме реального времени, что в свою очередь позволяет повысить качество обрабатываемой поверхности.

В этой связи обеспечение качества ЭИО, оценка износа инструмента и шероховатости количественными характеристиками в режиме реального времени, исследование взаимосвязи износа инструмента и шероховатости с параметрами ЭИО, прогнозирование износа и шероховатости на основе критериев нелинейной динамики, корректировка процесса обработки с целью обеспечения качества является актуальной задачей современного машиностроения.

В настоящее время ЭИО в отечественном машиностроении приобретает все более широкое использование. Это обусловлено современными тенденциями развития обрабатывающей промышленности. На сегодняшний день для того, чтобы получать недорогую продукцию с прецизионной точностью исполнения размеров многие производители в инструментальном и основном производстве используют ЭИО.

Актуальность работы подтверждается выполнением ее в рамках НИР Г-27/10 «Физические принципы повышения надежности и устойчивости

процессов механической и электрофизической обработки на основе кванто-во-механических моделей на микро- и наноуровнях».

Цель работы: повышение качества электроимпульсной обработки путем прогнозирования износа электрода-инструмента и шероховатости обработанной поверхности на основе подходов нелинейной динамики.

Для реализации указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. изучить возможность использования критериев нелинейной динамики для прогнозирования износа электрода-инструмента и оценки шероховатости обработанной поверхности, установить их зависимости от условий и параметров обработки;

2. выявить и дать физическое объяснение диагностирующим признакам для контроля износа электрода-инструмента и параметров шероховатости обработанной поверхности на основе критериев нелинейной динамики;

3. определить и исследовать источники акустической эмиссии (АЭ) при ЭИО и параметры нелинейной динамики сигнала акустической эмиссии при электроимпульсной обработке;

4. установить и объяснить физические зависимости между величинами износа электрода-инструмента, шероховатостью поверхности и фрактальной размерностью параметров сигнала АЭ при регистрации сигнала;

5. разработать алгоритм прогнозирования износа электрода-инструмента и шероховатости обработанной поверхности;

6. оценить адекватность принятых моделей электроимпульсной обработки при помощи разработанной имитационной сеточной модели.

Методы исследования сочетают теоретический анализ и физический эксперимент. В теоретических исследованиях применялись методы теории цифровой обработки сигналов, технологии машиностроения, теории детерминированного хаоса, теории фракталов и теоретической нелинейной динамики. Экспериментальные исследования проводились по разработанной методике с помощью снятия и измерения параметров акустического сигнала на специаль-

но разработанных стендах в лабораторных условиях и в производственных условиях на технологическом оборудовании. Для обработки результатов экспериментов использовались статистические методы планирования.

Объекты исследования: процесс электроимпульсной обработки; электрод-инструмента для обработки металлов в процессе ЭИО материалов, применяемых в авиа-, судо-, и машиностроении; поверхность детали, обработанная электроимпульсным методом.

Предметы исследования: износ электрода-инструмента и шероховатость обработанной поверхности. Взаимосвязи между выходными качественными параметрами (износ применяемого инструмента, шероховатость) ЭИО, режимами электроимпульсной обработки и информационными параметрами нелинейной динамики (фрактальная размерность) через диагностические признаки сигнала АЭ, характеризующие физические закономерности процесса ЭИО. Взаимосвязи между износом применяемого инструмента, шероховатости обработанной поверхности при ЭИО, с одной стороны, параметрами режимов обработки - с другой, и критериями нелинейной динамики: фрактальной размерностью и размерностью аттрактора сигнала - с третьей.

Область исследований. Содержание диссертации соответствует п.2 «Теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействий» паспорта научной специальности 05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» (технические науки).

Научная новизна работы состоит: 1. в разработке нового подхода к исследованию стохастического процесса электроимпульсной обработки с помощью критериев нелинейной динамики сигнала акустической эмиссии, регистрируемого в процессе обработки

для прогнозирования износа инструмента и шероховатости обработанной поверхности;

2. в установлении корреляционных связей между шероховатостью обработанной поверхности, износом электрода-инструмента, с одной стороны, и критериями нелинейной динамики: фрактальной размерности сигнала акустической эмиссии из межэлектродного промежутка и размерность аттрактора, восстановленного по сигналу акустической эмиссии - с другой;

3. в установлении характера зависимостей шероховатости обработанной поверхности, износа электрода-инструмента и фрактальной размерности реконструированного по сигналу акустической эмиссии аттрактора от частоты следования рабочих импульсов, скважности и количества гребней в импульсе.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. рекомендации по практическому использованию прогнозирования износа электрода-инструмента и качества обработанных поверхностей на основе измерения сигналов АЭ на электроэрозионных копировально-прошивочных станках с ЧПУ, с целью уменьшения износа инструмента, повышению точности обработки, уменьшению количества деталей, отбракованных по параметру шероховатости, и повышения производительности электроимпульсной обработки на 10-12 %;

2. разработан комплекс программ для выбора оптимальных режимов ЭИО для различных материалов, позволяющий моделировать износ применяемого инструмента в процессе обработки сигналов акустической эмиссии и профилограмм шероховатости методом реконструкции аттракторов с последующим выявлением степени корреляции между характером износа инструмента и качеством получаемой поверхности;

3. результаты теоретических и экспериментальных исследований по контролю износа электрода-инструмента и шероховатости обработанной поверхности внедрены в филиале ОАО «АХК «Сухой» «КнААЗ им. Ю.А. Га-

гарина», в учебном процессе ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», на кафедре «Технология машиностроения», «Машины и аппараты химических производств» и в рамках выполнения НИР Г-27/10 «Физические принципы повышения надежности и устойчивости процессов механической и электрофизической обработки на основе квантово-механических моделей на микро- и наноуровнях», выполняемому ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» по заказу Минобрнауки РФ (приложение 2).

Положения, выносимые на защиту:

1. полученные результаты теоретических исследований и серии экспериментов как на производственных площадях, так и в лабораторных условиях, при ЭИО различных конструкционных материалов, установленные основные закономерности между входными и выходными параметрами электроимпульсной обработки, в частности скорость износа электрода-инструмента, шероховатость обработанной поверхности, производительность обработки от частоты следования импульсов, скважности;

2. установленные зависимости величины износа электрода-инструмента (ЭИ) и шероховатости обработанной поверхности от управляющих параметров ЭИО материалов, широко применяемых в машиностроении;

3. установленные связи величины износа электрода-инструмента и шероховатости обработанной поверхности от критериев нелинейной динамики, в частности фрактальной размерности сигнала АЭ, регистрируемой в процессе обработки, в режиме реального времени. С увеличением ЭИ и шероховатости возрастает фрактальная размерность сигнала АЭ;

4. методика контроля и прогнозирования износа электрода-инструмента и шероховатости поверхности на основе критериев нелинейной динамики по регистрируемым в процессе обработки акустическим сигналам.

Личный вклад автора: Изучение текущего состояния вопроса и постановка проблемы и задач аналитического плана, а также постановка задач экспериментальных исследований, непосредственно проведение экс-

периментов, обработка результатов и их интерпретация, разработка и оптимизация программного кода, используемого в зарегистрированных программных комплексах; разработка рекомендаций и методик прогнозирования износа электрода-инструмента и шероховатости обработанной поверхности при ЭИО в режиме реального времени.

Апробация результатов исследования. Основные положения работы были представлены, докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов и аспирантов КнАГТУ, г. Комсомольск-на-Амуре, в период 2007-2012 гг.; на международной образовательной конференции «National Instruments», г. Москва, 2008 г.; на международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов», г. Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.; на XII краевом конкурсе-конференции молодых учёных и аспирантов, г. Хабаровск, 2010 г.; на всероссийской молодежной конференции МТИ-2011. г. Москва, СТАНКИН, 2011 г.; на международной научно-технической конференции «Современные �