автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение качества покрытий изделий путем адаптивного управления процессом ЗИЛ и последующей ультразвуковой обработки

604610264

На правах рукописи

Ледков Евгений Александрович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОКРЫТИЙ ИЗДЕЛИЙ ПУТЕМ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЗИЛ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Хабаровск-2010

1

004610264

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет» (г. Хабаровск).

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Давыдов Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор Ким Владимир Алексеевич (г. Комсомольск-на-Амуре)

кандидат технических наук Теслина Мария Александровна (г. Хабаровск)

Ведущая организация -

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (г. Хабаровск)

Защита состоится «26» октября 2010 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.

Факс: 8(4217)54-08-87; E-mail: mdsov@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет».

Автореферат разослан «■£#>> 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

jp?' Пронин А.. И.

Wjoopzj--—

Актуальность, успешное развитие машиностроения невозможно без повышения эксплуатационных свойств наиболее нагруженных и дорогостоящих деталей и узлов, имеющих сложную геометрическую форму, которые изготавливаются из жаропрочных, коррозионно-стойких и износоустойчивых материалов. Распространенными причинами поломки являются абразивный износ, возникающий в результате воздействия на рабочие поверхности пыли и песка, трение, высокие температуры и коррозионный износ, возникающий вследствие действия агрессивных сред. Одним из распространенных методов повышения работоспособности деталей является создание покрытий методом электроискрового легирования (ЭИЛ). ЭИЛ обладает рядом положительных качеств, наиболее важными из которых являются высокая адгезия между наносимым слоем и материалом основы, возможность наносить любые токопроводя-щие материалы, простота проведения технологических операций, низкая энергоемкость процесса. Однако, несмотря на все достоинства метода, его распространение в условиях промышленного производства ограничено, что обусловлено нестабильностью протекания процесса, отсутствием технологий и технологического оборудования, позволяющего получать покрытия с однородными свойствами по всей площади обработки. Это связано с рядом нерешенных проблем, связанных с условиями возникновения и протекания электроискрового процесса, взаимосвязью электрических параметров процесса с изменениями в структуре материалов электродов. Существенными недостатками, препятствующими внедрению ЭИЛ в производство, являются низкое качество микрорельефа поверхности, остаточные напряжения, дефекты. Нестабильность процесса ЭИЛ, наиболее ярко проявляющаяся на немеханизированных установках, а также высокая чувствительность структуры покрытия к изменению параметров обработки (температура, газовый состав среды, сила прижатия анода к катоду, режим работы генератора и взаимное положение электродов относительно друг друга) затрудняет контроль и прогнозирование технологических свойств получаемых покрытий.

Все эти недостатки свидетельствуют об актуальности проблемы повышения качества покрытий при ЭИЛ и зависят от стабильности протекания процесса.

Для стабилизации и управления процессом ЭИЛ необходимо выявить ключевые параметры, которые однозначно будут влиять на его протекание. Учитывая нелинейность и многопараметричность процесса, необходимо разработать систему управления и контроля, которая позволит оперировать множеством взаимосвязанных параметров в реальном режиме времени. Кроме этого система должна располагать экспертной базой данных, возможностью обучаться, пополнять свою базу данных и обмениваться данными с другими системами.

Для повышения качества покрытий используют доводочные операции, в основе которых лежит механическое удаление части слоя, в результате чего уменьшается его толщина, и формируются дополнительные растягивающие напряжения, что значительно снижает область применения покрытий. Для получения заданной шероховатости при сохранении исходных свойств покрытия необходимо применять принципиально отличные технологии, например безабразивную ультразвуковую финишную обработку.

Попытки обеспечить стабильность и автоматизировать технологический процесс ЭИЛ предпринимались и ранее, но законченного решения или готового технологического процесса, подходящего для любых деталей и условий их функционирования, до сих пор не существует. В связи с этим данная работа направлена на поиск, анализ и использование наиболее информативных параметров ЭИЛ для разработки основ ав-

томатизации процесса и универсальной технологии получения покрытий и заданного микрорельефа при помощи ультразвукового поверхностного пластического деформирования (УППД).

Цель диссертационной работы повышение качества покрытий изделий, получаемых методом низковольтного электроискрового легирования, на основе систем адаптивного управления и последующей ультразвуковой обработки.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать и проанализировать причины нестабильности ЭИЛ. Выявить на их основе оптимальные параметры (электрические параметры, акустические и световые сигналы, температура и др.) для контроля и управления процессом и разработать универсальную методику исследования и способы оценки стабильности протекания процесса электроискрового легирования.

2. Исследовать и проанализировать влияния температуры, формы, массы и взаимного расположения электродов, световых и акустических сигналов на энергетические параметры системы, качество и стабильность электроискровой обработки для получения функциональных покрытий.

3. Проанализировать наиболее значимые факторы процесса ЭИЛ и разработать модель адаптивной системы управления для станков с числовым программным управлением.

4. Выявить физические закономерностиформирования микрорельефа получаемых покрытий в зависимости от различных параметров обработки и разработать методы его оценки, прогнозирования и улучшения в соответствии с функциональными требованиями, предъявляемыми к микрорельефу рабочих поверхностей деталей.

5. Разработать технологию получения жаростойких покрытий методами ЭИЛ и безабразивной ультразвуковой финишной обработки на станках с числовым программным управлением.

Научная новизна:

1. Установлено и научно обосновано влияние параметров электроискрового легирования на стабильность протекания процесса и формирование слоя. Показано, что на стабильность комплексно влияют следующие параметры: входные - размеры и форма электродов, начальный режим обработки и свойства используемых материалов; текущие - температура электродов, степень прижатие, траектория перемещение электродов и удельная энергия, определяющие эксплуатационные и физико-механические свойства покрытия.

2. Разработана модель адаптивной системы управления процессом электроискровой обработки на основе методов нейросетевого управления, регулирования электрических параметров процесса, температуры электродов, состава газо-воздушной среды, силы прижатия анода к катоду.

3. Исследованы структура и свойства покрытий, полученных методом ЭИЛ, после безабразивной ультразвуковой финишной обработки и разработана методика улучшения эксплуатационных свойств слоя за счет формирования необходимого микрорельефа, твердости и толщины покрытия путем управления усилием прижатия и скоростью подачи выглаживающего индентора.

Практическая ценность от реализации результатов работы:

1. Предложена методика одновременной регистрации и автоматизированной обработки электрических, акустических и световых сигналов, которые сопровождают процесс электроискрового легирования, позволяющая определять число рабочих импульсов и их энергию за заданный период времени.

2. Спроектирована и реализована экспериментальная установка для исследования температурных, электрических, акустических и световых сигналов, возникающих при ЭИЛ.

3. Предложена методика контроля изменения геометрических и эксплуатационных параметров покрытия.

4. Разработан алгоритм определения типов импульсов, технологические рекомендации по контролю и стабилизации электрических, температурных параметров процесса и прогнозированию толщины, шероховатости и функциональных свойств получаемых покрытий.

5. Разработана технология получения жаростойких и износостойких покрытий на криволинейных поверхностях методами ЭИЛ и безабразивной ультразвуковой финишной обработки на станках с числовым программным управлением.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов (Третьи Самсоновские чтения)» (Хабаровск, 2006 г.); на 3rd International conference on «Manufacturing engineering. Kallithea of Chalkidiki» (Greece, 2008 г.); на всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока» (Комсомолвск-на-Амуре, 2007 г.); на шестой международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (Брянск, 2008 г.); на IV международной научно-технической конференции «Современные инструментальные систем, информационные технологии и инновации» (Курск, 2008 г.); на I Международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (Курск, 2009 г.); на международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2009 г.); на международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.); на Joint China-Russia symposium on «advanced materials processing technology» (Harbin, 2008, 2010); на Russia-China Symposium «Modern materials and technologies» (Khabarovsk, 2007, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендуемых ВАК, получен один патент РФ на изобретение и один патент на полезную модель.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит 2 таблицы, 44 рисунка, список литературы из 109 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Представлены сведения о публикациях и апробации работы.

В первой главе изложены основные положения теории электроискрового легирования, приведены принципиальная схема и основные модели процесса, актуальные на сегодняшний день. Большой вклад в исследование ЭИЛ внесли отечественные и зарубежные ученые: супруги Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко, Г. В. Самсонов, А. Д. Верхотуров, А. Е. Гитлевич, Б. Н. Золотых, Ф. X. Бурумкулов Г. П. Иванов, В. А. Ким, Л. С. Палатник, И. 3. Могилевский, Р. Хольм, К. К. Намитоков и др. Вопросам ультразвуковой обработки материалов посвящены работы Ю. В. Холопова, А. И. Ма-

зурова, В. П. Алехина, В. А. Кузнецова, А. И. Маркова, А. М. Мацкевича и др. Исследование адаптивных систем проведено в трудах Ефимов Д. В., Евланов JI. Г. Тюкин И. Ю., Терехов В. А., Юревич Е. И. и др. В главе представлен анализ основных достоинств и недостатков метода ЭИЛ по сравнению с другими. Главным недостатком, определяющим низкое качество покрытий, является нестабильность процесса. В главе подробно рассматриваются основные дестабилизирующие параметры, такие как температура, газовый состав среды, распределение энергии в системе, взаимное расположение электродов во время обработки, влияние человеческого фактора и др.

Из анализа литературных источников можно сделать вывод, что для повышения качества получаемых покрытий необходимо стабилизировать протекание процесса ЭИЛ, и осуществляя контроль над ним при помощи современных систем управления. В связи с этим в главе приведен обзор современных методов управления нелинейными, многопараметрическими системами, рассмотрены основы теорий кибернетики, самоорганизации и интеллектуального управления.

В главе сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.

Во второй главе представлена схема выполнения диссертационной работы, которая включает перечень исследовательских работ и разработок. Приведен перечень и даны характеристики электродных материалов и установок, используемых в работе. В качестве анодов применялись Cr, Ni, Си, AI, стали с различным содержанием углерода, электроды 11Х15Н25М6АГ2, твердые сплавы ВК6, ВК6-ОМ, ВК8 и др. В качестве катодов использовались стали с различным содержанием углерода (Ст.З, стали 30, 35, 45), а также жаростойкие стали марок 20X13 и ХН60ВМТЮ. Описаны методики и приведены схемы экспериментальных стендов: стенда для одновременной регистрации и обработки электрических, акустических и световых сигналов, сопровождающих процесс ЭИЛ в автоматическом режиме; стенда для исследования параметров шероховатости образцов, подвергшихся электроискровой обработке, позволяющего исследовать динамику изменения микрорельефа покрытия и контролировать изменение геометрических размеров образца, а также толщину покрытия; установки, позволяющей определять распределение температуры по длине анода методом оптической пирометрии; приспособления для определения кривой распределения температуры по длине анода по трем точкам; и др.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния факторов процесса на стабильность условий формирования и качество покрытий. Установлены основные условия осуществления процесса ЭИЛ: контакт между катодом и анодом, результатом которого является контактный мостик, сопротивление которого намного выше, чем сопротивление среды или электродов; возникновение контакта с определенной площадью поперечного сечения должно быть такое, чтобы энергии импульса хватило на его разогрев до состояния низкотемпературной плазмы. Наличие двух условий позволило выделить несколько типов импульсов, а именно рабочий и нерабочие, которые, в свою очередь, разделяются на холостые и импульсы короткого замыкания.

Для автоматизации исследования процесса ЭИЛ необходимо определять тип импульса. В связи с этим были разработаны методики, и изготовлена экспериментальная установка, позволяющие оценивать три признака рабочего импульса: наличие тока, световое излучение н акустический сигнал от взрыва контактного мостика. Световое излучение регистрировалось фотодиодом, а акустический сигнал микрофоном. Регистрация светового сигнала фотодиодом имеет недостатки, такие как помехи и

электромагнитные наводки. Кроме того, необходимо постоянно ориентировать фотодиод на место контакта электродов.

Регистрация акустического сигнала подтверждает механизм протекания процесса и совпадает с сигналом от фотодиода по времени. Но, учитывая скорость звука в воздухе, сигнал от микрофона регистрируется позже электрических, что позволяет исключить влияние наводок. По скорости распространения звука в воздухе, принимая во внимание температуру окружающей среды, можно определить момент взрыва контактного мостика.

Установлено, что с увеличением объема катода происходит снижение общей эффективности процесса нанесения (рис. 1), снижается интенсивность привеса катода и эрозия анода, что подтверждается значениями акустического сигнала (TAIS), которые характеризуют силу взрыва контактного мостика. Катоды малого объема, сравнимого с объемами анода, разогреваются гораздо быстрее, а следовательно, переходят в состояние теплового равновесия раньше. Чем больше объем, тем больше энергии необходимо на его разогрев до состояния теплового равновесия. Наличие теплового баланса между анодом, катодом и окружающей средой является важным условием для стабилизации и прогнозирования процесса электроискрового легирования.

Исследованы различные формы контактной поверхности анода и установлена оптимальная, которая обладает постоянной интенсивностью следования импульсов, массопе-

реносом и наилучшим качеством микрорельефа.

Установлено, что привес катода и эрозия анода при их нагреве в процессе обработки до одной и той же температуры остается постоянным независимо от времени легирования. Время, затрачиваемое на обработку, варьируется в широком диапазоне (рис. 2), но привес катода и эрозия анода остаются постоянными. Время нагрева за последующие переходы заметно снижается, что можно объяснить приработкой электродов и повторные нагревы происходят быстрее. Установлено, что для 9 образцов из каждой пары исследуемых материалов увеличение массы на 27 мг произошло за время, которое варьируется от 250 до 500 с. Контроль массопереноса и эрозии по

Р Р. AS TAIS Дти Дт, t/C Параметр обработки

Рис. 1. Результаты электроискровой обработки катодов из стали 45 никелевыми анодами: N -общее число импульсов; Nw - общее число рабочих импульсов; Р - общая энергия; Pw - общая рабочая энергия; AS - средняя амплитуда звука взрыва контактного мостика; TAIS -суммарный интегральный звук; Дтк, Дта -привес катода и эрозия анода; tk°C - температура катода в конце обработки; 1 - образцы размерами 7x7x10 мм, 2 - 7x7x20, 3 - 7x7x30.

г 4

Номер перехода

Рис. 2. Время нагрева образцов на 75'С в течение шести переходов

температуре нагрева электродов позволяет прогнозировать и контролировать перенос материала в процессе обработки в автоматизированном режиме. Степень нагрева определенного объема материала однозначно определяет величину энергии, затрачиваемой на формирование покрытия, и эта величина остается постоянной.

На рис. 3 представлены результаты исследований распределения температуры по длине анода в процессе обработки методом яркостной пирометрии, который позволяет осуществлять анализ динамики изменения температуры и её контроль. После аппроксимации полученных экспериментальных данных становится возможным определять температуры анода на всей его длине в любой момент времени, что позволяет снизить интенсивность процессов окисления и обезуглероживания и регулировать процесс перегрева анода при помощи принудительного охлаждения или при контроле скважности импульсов.

16 22 „ 28 52 64 Время, с.

Расстояние от рабочего края анода, мм

а б

Рис. 3. Исследование влияния температуры на протекание процесса ЭИЛ: а - динамика изменения прогрева электрода из стали Р6М5 во времени; б - кривые распределения температуры по длине анода в различные моменты времени (ВК8, диаметр 3 мм)

Шероховатость покрытия при ЭИЛ зависит от материала применяемых электродов, энергии единичного импульса, формы контактной поверхности и времени обработки (рис. 4). В течение первой минуты наблюдается резкое увеличение всех измеряемых параметров шероховатости, что объясняется приработкой электродов и интенсивным массопереносом. С течением времени параметры шероховатости входят в стадию колебательного процесса, в которой находятся неограниченно долго. Шероховатость зависит от энергии единичного импульса, определяющей размеры капли расплавленного металла, а следовательно, и высоту микронеровностей. Использование параметров Ra, R^ или Rz, разработанных для оценки микропрофиля поверхности, имеющей регулярную шероховатость, не позволяет однозначно определить микрорельеф покрытий, полученных методом ЭИЛ. В качестве рекомендаций для оценки получаемого при ЭИЛ нерегулярного микрорельефа поверхности предлагается использовать параметры Rk, Rpk и Rvk. Rpk - усредненная высота выступов; Rk - глубина неровностей профиля поверхности, определяющая основу профиля; Rvk - усредненная глубина впадин профиля. На рис. 4, а представлены профилограммы, отражающие динамику изменения микропрофиля получаемого покрытия относительно нулевой линии. За нулевую линию принята средняя линия микропрофиля шлифованной поверхности образца без покрытия.

Рис. 4. Исследование процессов формирования микрорельефа при ЭИЛ: а - высота микронеровностей профиля никелевого покрытия относительно начальной (нулевой) линии образца из стали ХН60ВМТЮ, получаемая через каждую минуту легирования в течение пяти минут; б - динамика изменения параметров микропрофиля поверхности: 1 - 11г; 2 - Иь 3 - Кук; 4 - Лрк; 5 - 11а

На рис. 5, б представлены графики зависимостей, отражающие изменение параметров микропрофиля. В течение первых 2 минут легирования происходит уменьшение толщины покрытия при увеличении массы образца за счет того, что плотность анода выше плотности катода. В результате на поверхности формируется слой и уменьшаются его геометрические размеры. В течение третьей и четвертой минуты легирования происходит интенсивное увеличение толщины слоя и размеров образца. Одновременно с этим накапливаются остаточные напряжения, дефекты структуры, окислы и другие продуктов взаимодействия с окружающей средой. В результате после четвертой минуты начинается уменьшение толщины покрытия вследствие его хрупкого разрушения. Это подтверждается данными профилограмм, кривой массопе-реноса и визуальными наблюдениями. Анализ параметров микрорельефа позволил выделить основные стадии формирования покрытия. Это стадия приработки, характеризуемая незначительными изменениями параметров шероховатости, стадия формирования покрытия, сопровождаемая интенсивным изменением параметров шероховатости, и стадия хрупкого разрушения.

Результатами исследований, представленных в третьей главе, являются закономерности, определяющие стабильность протекания процесса ЭИЛ и качество получаемых покрытий, использование которых позволяет разработать систему адаптивного управления.

В четвертой главе установлены основные цели управления, определены источники информации о протекании процесса ЭИЛ. Текущее состояние системы оценивается вектором параметров:

где N - параметр, отражающий общее количество импульсов, выдаваемых генератором в единицу времени; - параметр, отражающий общее количество рабочих импульсов, выдаваемых генератором в единицу времени; аса{ха,уа,га,аа,ра,уа} - вектор координат определяющих положение геометрического центра контактной поверхности анода, в пространстве, относительно обрабатываемой поверхности, где ха, уа, га -линейные координаты, а аа, ра, уа - угловые координаты (рис. 5, а); асс{хс,ус,гс] - вектор, определяющий положение катода, где хс, ус, гс - линейные координаты; /{г,,/2,/3}

- вектор значений температуры в трех точках анода, поступающих от соответствующих термопар в единицу времени; СО{рх,р2...рт} - вектор значений концентрации каждого элемента газовоздушной среды, в которой происходит ЭИЛ, в единицу времени; - вектор значений, отражающий текущую скорость перемещения анода по каждой из координат; п - текущая частота вращения или вибрации анода; ргг -текущая частота следования импульсов, задаваемая генератором импульсов; Е1 - энергия импульса, задаваемая генератором импульсов; Б - часть площади, обрабатываемой в единицу времени.

Воздействие на технологическую систему ЭИЛ осуществляется через переменные: СО{Ар1,Ар2...Арт} - вектор управления концентрацией каждого элемента газовоздушной среды, в которой происходит ЭИЛ, за выбранные промежуток времени; ог{Ах,Ау,Аг,Аа, А/3,Ау} - вектор коррекции на скорость перемещения анода по каждой из координат; Дп - коррекция на частоту вращения или вибрации анода; Дргг - коррекция на частоту следования импульсов, задаваемая генератором импульсов; ДЕ1 - коррекция на величину энергии импульса. Указанные переменные образуют вектор управления

А = (СО{Ар\, Ар2 • • • АРт }, ог {Дх, Ау, Дг, Д а, АД А/}, Ап, Аргг, АЕ1).

Разработанная система адаптивного управления включает в себя три искусственные нейронные сети (ИНС), блоки управления и обработки данных. Поверхность детали разбивается на элементарные участки, в результате обрабатываемая поверхность представляется в виде двумерного массива А0, каждый элемент которого характеризуется вектором параметров Ашп, определяющих свойства покрытия по всей обрабатываемой площади (рис. 5, б).

" Ёшйк

х, у, г

Р

а б

Рис. 5. Проектирование системы адаптивного управления: а - схема определения положения анода в системе координат станка; б - визуальное представление массива Атп

В общем виде вектор Атп имеет следующий вид

где: ХКо, Уко, ~ координаты центра рассматриваемого элементарного участка в системе координат обрабатываемой детали; V - объем, рассматриваемого элементарного участка; кт - параметр характеризующий физические свойства материала; 8 - номинальное значение заданной толщины покрытия на рассматриваемом участке; Я - величина, описывающая необходимые параметры микрорельефа для рассматриваемого участка; км - коэффициент, характеризующий концентрацию остаточных напряжений в слое; Д - коэффициент, определяющий поле допуска для значений параметров получаемого покрытия.

и

Основываясь на массиве исходных данных и экспертной базе знаний, система назначает начальные режимы работы генератора, состав газовоздушной среды и интенсивность прокачки смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) для каждого участка. В процессе ЭИЛ блок распознания импульсов I (рис. 6) производит опрос четырех каналов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и анализирует данные о текущем токе I¡, напряжении U¡, акустическом сигнале Sound(i) и температуре окружающей среды tcpMbI(j). По текущим сигналам тока формируется временной ряд I], 12, ..., 1„, который служит исходными данными для ИНС II. Данная сеть имеет 4096 входов, на которые с помощью сдвиговых регистров (R на рис.6) подаются значения 1П. Обновление временного ряда происходит последовательно - каждое вновь регистрируемое значение тока сдвигает ряд на одну позицию в сторону увеличения порядковых номеров элементов ряда и «выталкивает» из регистров самый последний элемент. Сеть II синхронизирована с системой управления режимами обработки IX и системой управления станка VII. Основной функцией нелинейных слоев сети II является поддержание оптимального значения тока в системе, что реализуется при помощи коррекционных сигналов, формируемых на выходе сети.

Рис. 6. Адаптивная система управления процессом ЭИЛ.

Блок распознания импульсов, анализируя информацию, получаемую от АЦП, производит ее обработку, определяет общую энергию Р каждого импульса и долю энергии, затрачиваемую на обработку Р„, а также координаты приложения энергии. Значения энергии каждого импульса (Р, Р„) вместе с текущими координатами анода и данными об объеме и физических свойствах материала подаются на сумматор, который сопоставляет поступающую информацию и формирует массив текущего состояния обрабатываемой поверхности в виде двумерного массива Ашк. Каждый элемент такого массива является вектором данных атп, описывающим текущее

состояние элементарного участка обрабатываемой поверхности. В общем виде вектор атпимеет следующий вид: атп - {Хк,Ук,2к,У,Т„,кт,Р,Ру/г},

где: Хк, Ук, - координаты центра рассматриваемого элементарного участка в системе координат обрабатываемой детали; V - объем рассматриваемого элементарного участка; Ту - температура элементарного участка; кш - вектор характеризующий свойства материала элементарного участка; Ри2 - величина, характеризующая полезную энергию, затраченную на обработку элементарного участка.

Массив текущего состояния обновляется в реальном режиме времени и достоверно отражает энергозатраты на единицу площади. С периодичностью в 1опрои данные массива Атек поэлементно подаются на вход трехслойной нейронной сети Ш, результатом работы которой является вектор Ттп: Ттп = {п,т,8Д,кы}, где п, ш -положение элементарного участка в массиве; в - толщина покрытия участка (п, т); Я - шероховатость участка (п, т); kN - вектор, характеризующий концентрацию дефектов и остаточных напряжений участка (п, т), который, в свою очередь, формирует массив данных, характеризующий текущие свойства получаемого покрытия^-.

Следующим этапом работы системы адаптивного управления (САдУ) является сравнение массива Aj с заданным массивом А0, для чего предусмотрен отдельный

программный блок IV, который поэлементно сравнивает два массива и, используя информацию из экспертной базы данных, выдает корректировочные сигналы для систем управления станком.

Помимо основной функции САдУ в системе имеются модули стабилизации температуры анода и управления газовоздушным составом межэлекгродного промежутка, которые предусмотрены для снижения интенсивности процессов дефектообразования и повышения качества обработки.

Степень нагрева анода контролируется при помощи трех термопар, сигналы от которых °С, Хг °С, 13 °С) с периодичностью 1оПр0са подаются на вход нейронной сети V (рис. 6), которая имеет один выход - функцию распределения температуры по длине анода ТА = А[1а)- Полученная функция анализируется блоком слежения за температурой VI, и после сравнения текущей температуры катода с необходимой производится корректировка на интенсивность подачи смазочно-охлаждающей жидкости. Тем самым температура обрабатывающего электрода поддерживается в оптимальном диапазоне, который задается экспертной базой данных.

Разработанная адаптивная система реализует управление устойчивостью процесса ЭИЛ в масштабе времени серии импульсов и позволяет стабилизировать его протекание за счет равномерного распределения энергозатрат по обрабатываемой площади, прогнозировать свойства получаемого слоя, контролировать температуру, а также управлять составом газовоздушной среды. Дополнительно происходит повышение производительности процесса за счет подбора оптимальных режимов обработки, относительного положения электрод-инструмента и траектории его перемещения.

Пятая глава посвящена разработке технологии получения жаростойких покрытий высокого качества на криволинейных поверхностях деталей машин методами электроискрового легирования и безабразивной ультразвуковой финишной обработки (БУФО). Объектом исследования являются турбинные и компрессорные лопатки.

Для повышения жаростойкости использовались легирующие аноды из AI, Cr, Ni, 11Х15Н25М6АГ2 и твердого сплава. С точки зрения интенсивности массоперено-са наибольший привес обеспечивается анодами из никеля при нанесении его на жаропрочные стали 20X13 и ХН60ВМТЮ. Обработка жаропрочных сталей анодами из 11Х15Н25М6АГ2 затрудняется схватыванием электрода, вследствие чего на поверхности образуются перегретые локальные максимумы покрытия, после чего продолжение обработки нецелесообразно ввиду отсутствия массопереноса.

Также установлено, что зависимости параметров Ra, Rz и Rk от времени эквивалентны друг другу и для их сравнительной оценки достаточно использовать только один. Параметры шероховатости никелевого покрытия превышают параметры других покрытий (хром, медь, ВК8), что обусловлено более интенсивным массопереносом. По изменению параметров Rk Rpk и Rvt (рис. 7), установлено, что с увеличением времени обработки происходит увеличение высоты локальных максимумов, несущей поверхности и уменьшение глубины впадин профиля. После третьей минуты наблюдается обратный процесс: разрушение вершин микрорельефа и части несущей поверхности и увеличение глубины впадин. С точки зрения эксплуатационных характеристик для увеличения жаростойкости необходимо стремиться к снижению значений всех параметров и удлинению участка К* на кривой Аббота. Если рассматривать только микрорельеф поверхности, то наиболее оптимальным временем обработки является 4-я минута, где значения всех параметров минимальны, но, учитывая наличие накопленных напряжений и окислов, оптимальным временем обработки является промежуток между 1-й и 2-й минутой.

в §

;зо g

8!»

0

1 |

!»■ х

о

10

N

1 /1 \

*

& *

с

1 6 I

А Г1 д

0 1 2 Д

Время Обрлб01Ы4,№1Н -0-Rk(N8 —Rk (СЧ|)

0 12 3*

Время оЗрабоТО1.м1[К -0-Ri>k(Ni) -ü-Rvk(Nrt

-»-Rpk (Си) -*-Rvk(Cu)

Рис. 7. Динамика изменения параметров шероховатости слоя, получаемого на стали ХН60ВМТЮ анодами из никеля и меди;

Установлено, что никелевое покрытие более эффективно при нанесении на сталь ХН60ВМТЮ, а для стали 20X13 более жаростойким является покрытие из хрома. В среднем, для всех видов покрытий и материалов жаростойкость увеличилась в 2-6 раза, по сравнению с образцами без покрытий (рис. 8). В отличие от никеля, высота неровностей медного покрытия значительно меньше, что подтверждает сравнительно меньший массоперенос. В течение первой минуты обработки наблюдается уменьшение глубины неровностей профиля поверхности Кк и усредненной глубины впадин RVl1 с одновременным ростом усредненной высоты выступов Крк. С течением обработки глубина впадин продолжает уменьшаться, а кривая высоты выступов входит в колебательную стадию. Глубина неровностей основного профиля поверхности

растет. Анализируя данные параметры микропрофиля, можно сравнивать различные свойства покрытий и определять оптимальное время обработки.

Рис. 8 Масса окислившегося материала в зависимости от выдержки в печи при температуре 850°С для различных материалов и покрытий

Для повышения эксплуатационных качеств поверхностного слоя покрытий использовался метод БУФО, при этом исследовалось несколько вариантов обработки с различной степенью прижатия. Минимальное усилие прижатия достигалось тем, что центр колебаний индентора находился выше поверхности покрытия (без прижатия к заготовке), максимальное усилие обеспечивалось прижатием индентора к поверхности слоя (максимальное усилие 100Н). После одного прохода излучателя ультразвука, при исходной поверхности Ra = 6,3 мкм, шероховатость поверхности по Ra снижается до 0,1 мкм. Растягивающие остаточные напряжения, возникающие после ЭИЛ, компенсируются сжимающими от БУФО. Все трещины, впадины, а также поры и другие поверхностные дефекты структуры, образовавшиеся в процессе легирования, исправляются. Данные о микротвердости слоя и фотографии микрошлифов для некоторых покрытий представлены на рис. 9. Установлено, что после ЭИЛ средняя твердость покрытия из никеля составляет 7000 МПа, что объясняется закалкой железа, присутствующего в слое.

После обработки БУФО, в результате разупрочнения, твердость падает до 1800 МПа. Для ВК8 и Си также происходит снижение твердости. Зона термического влияния (ЗТВ) имеет твердость от 3500 до 6000 МПа в зависимости от материала легирующего электрода, что объясняется диффузией углерода из основы и отсутствием перегрева в процессе обработки. Эта твердость сохраняется после БУФО. Покрытие из меди после БУФО стало двухслойным, при этом твердость верхнего слоя (стали) составила 4600 МПа, а медной прослойки - 980 МПа, твердость ЗТВ - 3650 МПа. Формирование двухслойного покрытия объясняется тем, что при ультразвуковой обработке индентор БУФО переносит часть основы на покрытие, а высокая твердость объясняется наклепом, возникающим в результате ударного воздействия.

Поверхностное пластическое деформирование с ультразвуковой частотой позволяет создавать на обрабатываемой поверхности покрытия регулярный микрорельефов путем изменения скорости подачи, что обеспечивает повышение эксплуатационных свойств поверхности.

12

1

= 5$

О 5 10 15 20 25 50 35 Глубина -0-№+БУФС> -О" 6« БУФО

В 12 311 "10 С 9

Ч 8

а 3

1

£

я;

0 5 10 15 20 25 50 55 Глубина -О-беэ БУФО —»-ВК8+ВУФС

<5 .1

сталь основа

Рис. 9. Свойства покрытий, получаемых ЭИЛ до и после БУФО: а, б, в - микротвердость покрытий получаемых на стальных заготовках, подвергшихся и не подвергшихся обработке БУФО.

По результатам диссертационного исследования разработана технология по обработке криволинейных поверхностей на станках с числовым программным управлением методами ЭИЛ и БУФО.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана методика и создана оригинальная экспериментальная установка для исследования процесса электроискрового легирования для однозначной оценки и обработки результатов экспериментов. Выявлены условия и признаки возникновения и устойчивого существования рабочего импульса. Разработана методика и экспериментальный стенд автоматического определения типа импульса и его энергии в реальном режиме времени, позволяющая повысить стабильность и контролировать энергетические затраты при протекании процесса ЭИЛ.

2. Определены источники информации о протекании процесса ЭИЛ, к которым относятся акустический сигнал, объем и температура нагрева обрабатываемого и обрабатывающего электродов, что позволяет прогнозировать и контролировать величину массопереноса и эрозии анода, формирование микропрофиля поверхности, процессы окисления и дефектообразования.

3. Процесс формирования микропрофиля поверхности, получаемой ЭИЛ, является нелинейным, зависит от энергии импульсов и материала электродов, а также оказывает влияние на общее изменение геометрии обрабатываемой детали и меняет ее эксплуатационные характеристики. Для оценки микрорельефа получаемых покрытий предложено использовать комплекс параметров и , позволяющих точно определить количество и остроту выступов, глубину и толщину впадин, а также площадь несущей поверхности слоя для сравнения эксплуатационных характеристик получаемых покрытий и выявления оптимальных режимов и условий обработки.

4. Разработана система адаптивного управления, обеспечивающая стабильность протекания процесса ЭИЛ на уровне единичного импульса, серии импульсов и технологической операции на основе интеллектуального управления температурными, энергетическими параметрами, режимами обработки, а так же системой позиционирования станка, что позволяет получать покрытия с постоянными свойствами по всей площади обработки.

5. Выявлены оптимальные электродные материалы и режимы обработки, обеспечивающие повышение жаростойкости сталей ХН60ВМТЮ и 20X13 в 2-6 раз, максимальную толщину покрытия и наилучшее качество микрорельефа.

6. Метод безабразивной ультразвуковой финишной обработки позволяет повышать качество микрорельефа слоя (исходное Ra = 6,3-12,5 мкм, после БУФО Ra = 0,05-0,1 мкм.), а также получать покрытия с широким диапазоном эксплуатационных свойств за счет регулирования амплитуды, частоты колебания, а так же подачи выглаживающего индентора.

7. По результатам диссертационного исследования разработана технология получения качественных покрытий на поверхностях со сложной геометрией методами электроискрового легирования и безабразивной ультразвуковой финишной обработки, на станках с числовым программным управлением.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Davydov V. М. Modification of anodes temperature during electrospark treatment / V. M. Davydov, E. A. Ledkov, A.V. Nikitenko, A.V. Gil // Modem materials and technologies 2007 : materials of international VII Russia-China Symposium: two volumes. - Khabarovsk: Pacific National University, 2007 - Vol. 2. - P. 21-24.

2. Давыдов В. M. Исследование влияния радиуса обрабатываемой заготовки на свойства получаемого слоя при электроискровом легировании / В. М. Давыдов, А. Д. Верхотуров, Е. А. Ледков, С. В. Николенко // Принципы и процессы создания неорганических материалов (Третьи Самсоновские чтения) : материалы симпозиума-Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2006. - С. 175-176.

3. Ledkov Е.А. Designing a machine with PCNC for electro-spark alloying / V. M. Davydov, E. S. Boyko, E. A. Ledkov // Joint China-Russia symposium on advanced materials processing technology 2006. - Harbin : Harbin Institute of Technology, 2006.

4. Ледков E.A. Изменение температуры анодов в процессе электроискровой обработки / Е. А. Ледков, В. М. Давыдов, А. В. Никитенко // Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока : материалы Всероссийской научно-практической конференции : в 3 ч. - Комсомольск-на-Амуре : КнАГТУ, 2007. - ч.1. С. 174.

5. Устройство для электроискрового легирования / А. П. Богачев, В. М. Давыдов, А. Д. Верхотуров, Е. А. Ледков : Патент на изобретение № 2334603, зарегистрирован 27.09.2008.

6. Ледков Е.А. Электроискровое легирование как метод повышения качества деталей машин / Е. А. Ледков, В. М. Давыдов, А. Д. Верхотуров, С. Н. Химухин, А. В. Гиль // Проблемы качества машин и их конкурентоспособности : материалы 6-й Международной научно-технической конференции. - Брянск : 2008. - С. 287-288.

7. Ledkov Е. A. Improvement of coating quality obtained by electro spark alloying with nonabrasive ultrasonic finishing polishing / V. M. Davydov, E. A. Ledkov, S. N. Khimukhin, A. V. Gil // 3rd International conference on Manufacturing engineering. Kallithea of Chalkidiki - Greece : 2008 - C. 199-204.

8. Ледков E. А. Оценка эффективности восстановления поверхностей деталей машин методом электроискрового легирования (ЭИЛ) / В. М. Давыдов, Е. А. Ледков, С. Н. Химухин, А. В. Гиль // Современные инструментальные системы,

информационные технологии и инновации: материалы IV Международной научно-технической конференции : в 2 ч. - Курск : 2008. - ч.1. - С. 136-140.

9. Гиль А. В. Влияние интервала между импульсами на параметры электроискровой обработки / А. В. Гиль, С. Н. Химухин, Е. А. Ледков II Инновации, качество и сервис в технике и технологиях : материалы I Международной научно-практической конференции: в 2 ч. -Курск : Курск, гос. техн. ун-т, 2009. - ч.1. - С. 57-60.

10. Ледков Е. А. Стабилизации электроискровой обработки / Е. А. Ледков, С. Н. Химухин, В. М. Давыдов, Р. А. Соколов, А. В. Гиль // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях: материалы I Международной научно-практической конференции: в 2 ч. Курск : Курск, гос. техн. ун-т., 2009. - ч.1. С. 76-79.

И. Ледков Е. А. Исследование процессов стабилизации электроискровой обработки / Е. А. Ледков, В. М. Давыдов, С. Н. Химухин, А. В. Гиль // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2009. - №4 - С. 63-71.

12. Ледков Е. А. Повышение жаростойкости компрессорных и турбинных лопаток методами электроискрового легирования и безабразивной ультразвуковой финишной обработки / Е. А. Ледков, С. Н. Химухин, В. М. Давыдов, Р. А. Соколов, В. Л. Никишечкин // Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции -Брянск : БГИТА, 2009. - Выпуск 9 - С. 52-56.

13. Ледков Е. А. Исследование процессов формирования микрорельефа покрытий, получаемых методом электроискрового легирования / В. М. Давыдов, С. Н. Химухин, Е. А. Ледков, Р. А. Соколов II Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов : в 2 ч. - Комсомольск-на-Амуре : КнАГТУ, 2009,-4.2.-С. 59-68.

14. Устройство для подсчета количества искровых процессов и автоматической корректировки параметров электроискрового легирования / С. Н. Химухин, Е. А. Ледков, В. М. Давыдов, А. В. Гиль, И. В. Кочетова : Патент на полезную модель № 85633, зарегистрирован 10 августа 2009 г.

15. Ledkov Е. A. Obtaining of heat and corrosion resistant coatings by ESA and NUFT methods / E. A. Ledkov, V. M. Davydov, S. N. Khimukhin, T. S. Khimukhina, R. A. Sokolov // Modern materials and technologies 2009: International Xth Russian-Chinese Symposium. Proceedings. - Khabarovsk: Pacific National University, 2009. -P. 511-516.

16. Ледков E.A. Повышение коррозионной- и жаростойкости турбинных лопаток / Е.А. Ледков, В.М. Давыдов, Р.А. Соколов, В.Л. Никишечкин // Будущее машиностроения России: сб. тр. Всерос. конф. молодых ученых и специалистов. (Москва, 21-25 сентября 2009 г.) / Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана. - М. : МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2009. С. 63-64.

17. Гиль А. В. Влияние нагрева электродов на изменение их массы при электроискровой обработке / А. В. Гиль, С. Н. Химухин, Е. В. Муромцева, В. М. Давыдов, Е. А. Ледков // Упрочняющие технологии и покрытия. Научно-технический и производственный журнал - 2010. - №3. - С. 26-30.

Ледков Евгений Александрович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОКРЫТИЙ ИЗДЕЛИЙ ПУТЕМ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭИЛ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 21.09.10г. Формат 60X84 1/16

Бумага писчая. Гарнитура Times New Roman. Печать цифровая.

Усл. печ. л. 1,125. Тираж 100 экз. Заказ №199

Отдел оперативной полиграфии издательства Тихоокеанского государственного

университета. 680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136