Автоматизация электрохимической струйной обработки на базе исследования физико-технологических закономерностей процесса Мухутдинов, Рафаиль Рамзисович

Введение к работе

Актуальность.

Создание современных машин в соответствии с требованиями технического прогресса практически невозможно без применения специальных высокопрочных сталей и сплавов. Обработка этих материалов традиционными методами сопряжена с серьезными технологическими затруднениями, а в ряде случаев вообще невозможна.

Особые трудности возникают при выполнении уникальных технологических операций, каковыми являются рассматриваемые в настоящей работе операции прошивки микроотверстий и получения узких криволинейных пазов.

Известные методы электрофизической и электрохимической обработки позволяют в принципе решить эту задачу, однако зачастую не удовлетворяются требования современного машиностроения по производительности и качеству обработанной поверхности.

Проведенные в последние годы исследования позволили выявить новые возможности электрохимических методов обработки. При этом весьма перспективным для получения микроотверстяй и узких криволинейных пазов является метод электрохимической струйной обработки (ЭЛСТРО), основанный на электрохимическом анодном растворении. ЭЛСТРО как технологический метод была предложена фирмой «Дженерал Электрик». Свое развитие в России метод ЭЛСТРО получил в трудах ученых: Волкова Ю. С; Щедрина О. П.; Ме-жерицкого А.В., ученых и инженеров СКТБ «Искра»: Журавского А. К.; Заринова Р. А.; Амирхзновой К А.; Норца В. И.; Зайцева А. Н.; Атрощенко В. В.; Первушина В. А. и других исследователей. Однако, несмотря на свои технологические преимущества, метод ЭЛСТРО не нашел широкого промышленного применения. Одной га основных причин этого является отсутствие исследований и научно обоснованных решений по созданию систем автоматического управления (САУ) данным процессом для типовых схем и условий обработки.

В этой связи следует считать, что задача автоматизации ЭЛСТРО на базе исследования физико-технологических закономерностей процесса является актуальной.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическими планами целевых научно-исследовательских программ Минвуза РСФСР и Министерства авиационной промышленности, а также планами хозяйственных договоров НКТБ «Искра» с предприятиями и организациями России и Республики Башкортостан.

цель работы и задачи исследований. Целью настоящей работы является автоматизация процесса электрохимической струйной обработки на основе исследований его физико-технологических закономерностей, разработки математических моделей, анализа нештатных ситуаций и создания двухсвязной САУ процессом.

2 Для достижения этой дели требуется решение следующих задач:

1. Разработать математические модели процесса ЭЛСТРО и выявить его фи-зико-гехнологическве закономерности и связи выходных параметров процесса с положением рабочей точки на вольтамперной характеристике (ВАХ).

2. Выявить информативные параметры, характеризующие положение рабочей точки на вольтамперной характеристике процесса ЭЛСТРО.

3. Исследовать процесс ЭЛСТРО в нештатных ситуациях и выявить информативные параметры для прогнозирования аварийных режимов и фиксации моментов вскрытия донной части прошиваемого отверстия или прорезаемого паза.

4. Разработать математические модели процесса ЭЛСТРО как двухсвязного объекта управления (ОУ) для прошивочных схем обработки и схем контурной вырезки.

5. Решить задачи синтеза структуры и расчета параметров двухсвязной системы автоматического управления процессом ЭЛСТРО.

6. Разработать технические решения и методику инженерного расчета структуры САУ ЭЛСТРО и ее элементов. Оценить эффективность функционирования разработанной системы.

Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанном комплексе с использованием современных измерительных средств. Обработка экспериментальных результатов осуществлялась с использованием методов математической статистики и теории вероятности. Моделирование осуществлялось численными методами на ЭВМ с использованием универсальных и специализированных пакетов. Для синтеза и анализа САУ использовались методы теории автоматического регулирования и

111btl.t.Xl AVVUU1 \

На зашнту выносятся:

7. Выявленная закономерность, отражающая взаимосвязь положения рабочей точки на вольтамперной характеристике процесса ЭЛСТРО с основными выходными технологическими параметрами^процесса - производительностью обработки и шероховатостью поверхности.

8. Новый информативный параметр - относительная средняя амплитуда пульсаций технологического тока, - характеризующий положение рабочей точки на вольтамперной характеристике процесса ЭЛСТРО.

3. Способы прогнозирования нештатных ситуаций процесса - предупреждение
аварийных режимов и фиксации моментов вскрытия донной части проши
ваемого отверстия или прорезаемого паза на основе новых информативных
параметров для управления процессом ЭЛСТРО.

4. Математические моделі процесса ЭЛСТРО как многосзязного объекта
управления для прошивочных схем обработки и схем контурной вырезки.

5. Новая структурная схема и параметры регуляторов двухсвязной САУ ЭЛСТРО.

6. Новые технические решения и методика инженерного расчета САУ ЭЛСТРО и ее элементов.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Установлено, что при заданных ограничениях по шероховатости обработанной поверхности и отсутствии повреждений ЭИ, на экстремальной ВАХ ЭЛСТРО всегда существует квазиоптимальная по производительности точка, которая находится на восходящей ветви ВАХ ниже экстремума (максимума) тока. Выявленная закономерность справедлива для различных условий обработки, геометрии ЭИ и обрабатываемых материалов.

2. Установлено, что положение квазиоптимальной точки на ВАХ ЭЛСТРО может быть определено по новому информативному параметру - относительной средней амплитуде пульсаций технологического тока. На основании этого параметра разработан новый способ непрерывной оценки положения квазиоптимальной точки на ВАХ процесса ЭЛСТРО. Отличительные признаки нового способа защищены а с. СССР 1313611.

3. Установлены новые закономерности поведения параметров процесса ЭЛСТРО в нештатных ситуациях, позволяющие по скорости изменения и абсолютным значениям средней величины технологического тока и амплитуде его пульсаций прогнозировать аварийные режимы ЭЛСТРО и фиксировать момент вскрытия донной части прошиваемого отверстия или паза. Отличительные признаки новых способов распознавания нештатных режимов защищены а. с. СССР 1052359 и а. с. СССР 1397209.

4. Разработаны математические модели ЭЛСТРО как многосвязного объекта управления для прошивочных схем обработки и схем контурной вырезки. Анализ характера изменения температуры и газонаполнения электролита в капиллярной части межэлектродного промежутка при высоких давлениях и плотностях тока позволил объяснить сущность физических процессов в капиллярной части МЭП и причину возникновения пульсаций технологического тока.

5. Разработана новая структурная схема и определены параметры регуляторов двухсвязной САУ ЭЛСТРО.

Практическую ценность представляют предложенные в работе:

6. Способ непрерывной оценки положения квазиоптимальной точки на ВАХ процесса ЭЛСТРО, позволивший автоматизировать процесс и поднять его производительность на 30-40% при соблюдении требований по шероховатости обработанной поверхности.

7. Способы управления процессом в нештатных ситуациях, позволяющие прогнозировать и предупреждать аварийные режимы ЭЛСТРО и фиксировать момент вскрытия донной части прошиваемого отверстия или паза. Исполь-

4 зование этих способов существенно (в 3-4 раза) снижает вероятность повреждения оборудования и появления брака при возникновении нештатных ситуаций. 3. Результаты исследований процесса, методики, математические модели, структурные схемы, технические решения и способы, которые могут быть использованы для дальнейшего совершенствования процесса ЭЛСТРО, при разработке серийного оборудования, а также в учебном процессе в качестве методического материала при обучении магистрантов и аспирантов электромеханических специальностей.

Реализация работы. Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований и практические разработки внедрены в следующих организациях:

8. Научно-производственном объединении «Исток» (г. Москва) - методики и результаты экспериментальных исследований процесса электрохимической струйной обработки и методика инженерного проектирования САУ процессом ЭЛСТРО.

9. Харьковском производсгвенясм машиностроительном объединении «ФЭД» (г. Харьков)- система автоматического управления технологическим процессом электрохимической струйной обработки.

10. Производственном объединении «АЛА-ТОО» (г. Фрунзе)- система автоматического управления технологическим процессом электрохимической струйной обработки и методика инженерного проектирования САУ процессом ЭЛСТРО.

Апробация результатов работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на:

11. Всесоюзных и Российских научно-техняческих конференциях: «Современная злектротехкология в махиикостроскии», іула, *yw r.j «нрооясмы организации и обеспечения гибкого автоматизированного производства», Челябинск, 1984 г.; «Комбинированные электроэрозионные электрохимические методы размерной обработки металлов», Уфа, 1983 г.; «Технология авиастроения, электрические методы обработки материалов», Уфа, 1982 г.

12. Международных конференциях: 12 международном симпозиуме по электрическим методам обработки ISEM ХП, Aachen, Германия, 1998 г; «Моделирование, вычисления, проектирование в условиях неопределенности -2000», Уфа, 2000г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе получено три авторских свидетельства в области ЭЛСТРО.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть содержит 150 страниц и включает в себя 61 рисунок и 10 таблиц. Список используемых источников содержит 116 наименований..

5 .

Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору В. В. Атрощенко за консультации в области прогнозирования аварийных ситуаций процесса ЭЛСТРО.