Введение к работе
Актуальность работы. Автоматизация процесса термообработки деталей в машиностроении связана с расчетом жизненного цикла изделий и агрегатов, потребностью их производства с требуемыми прочностными характеристиками. Такой подход позволяет рассчитать долговечность детали и совместить ее физический износ и всего агрегата в целом. Для получения требуемых механических характеристик поверхностей металлических изделий применяют современные технологии упрочнения с использованием высококонцентрированных источников энергии, таких как плазмотроны, лазеры, электронно-лучевые установки и др.
В настоящее время недостаточно полно обоснована взаимосвязь между показателями качества технологического процесса обработки и параметрами технологических комплексов. Это связано со сложностью протекающих физических процессов при взаимодействии концентрированных источников энергии с поверхностью металлов и отсутствием информативных параметров из зоны взаимодействия, измеряемых в реальном времени.
Анализ исследований по термообработке гильзы блока цилиндров двигателя автомобилей КамАЗ с применением высококонцентрированных источников энергии показал, что технологическую операцию по закалке рабочей поверхности с высокой эффективностью производит плазменный технологический комплекс на базе кольцевого плазмотрона.
Исходя из этого одним из перспективных направлений совершенствования плазменного технологического комплекса для термообработки гильзы блока цилиндров является разработка кольцевого плазмотрона и достижение его оптимальных параметров. Повысить эффективность такого комплекса позволит решение задачи анализа и синтеза его системы управления с обратными связями по информативным параметрам процессов взаимодействия плазмы с металлом, измеряемых в реальном времени, и применения новых методов обработки этих параметров.
Исследование физических процессов взаимодействия плазмы с металлами позволит решить задачи моделирования процессов обработки и управления параметрами кольцевого плазмотрона для достижения заданных показателей качества технологического процесса.
В связи с этим исследование физических закономерностей взаимодействия плазмы с металлом, различных методов обработки информативных параметров из зоны взаимодействия и способов расчета оптимальных характеристик системы управления с целью создания поверхностей деталей с требуемыми прочностными характеристиками является актуальной задачей.
Целью работы является повышение эффективности процесса плазменной термообработки деталей за счет автоматизации плазменного технологического комплекса с оптимизацией его параметров для достижения заданных показателей качества деталей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Исследование тепловых процессов, происходящих в зоне взаимодействия плазмы с металлом, и определение влияния их параметров на показатели качества термообработки.
-
Разработка математической модели плазменного технологического комплекса на базе кольцевого плазмотрона с регулируемыми выходными параметрами для термообработки деталей цилиндрической формы.
-
Разработка алгоритмов управления взаимодействием функциональных блоков плазменного технологического комплекса для повышения эффективности термообработки деталей.
-
Разработка системы управления плазменным технологическим комплексом на основе расчета требуемых параметров технологического процесса для получения заданных показателей качества.
-
Проведение численных исследований для определения параметров кольцевого плазмотрона при обработке деталей цилиндрической формы, при которых возможно достижение заданных показателей качества технологического процесса в автоматическом режиме, обеспечивающих существенное повышение эффективности процесса плазменной термообработки.
Методы исследований.
В работе для решения поставленных задач использовались современные и стандартные методики.
В качестве объектов исследования выбрана гильза блока цилиндров двигателя КамАЗ, которая подвергалась термообработке.
Для оценки результата термообработки была проведена серия экспериментальных исследований на образцах серого модифицированного чугуна, используемые при изготовлении гильзы блока цилиндров двигателя КамАЗ.
Для исследования микротвердости и микроструктуры упрочненного слоя применялись поперечные шлифы. Для выявления микроструктуры поверхностного слоя в чугунах применяли стандартные методы изготовления шлифов.
Металлографический анализ структуры упрочненного слоя проводили с помощью микроскопа "ММР-4". Съемку микроструктуры проводили цифровым фотоаппаратом.
Измерение микротвердости осуществляли с помощью микротвердомера "Дюримет" при нагрузках 50гр. и 100гр.
Результаты исследований и измерений обрабатывались с применением математической статистики с доверительной вероятностью 0,95 и пакетов прикладных программ MathCAD и Excel.
Научная новизна:
-
Установлены зависимости среднемассовой температуры плазменного потока, определяющие показатели качества обрабатываемых деталей.
-
Разработана математическая модель плазменного технологического комплекса на базе кольцевого плазмотрона с регулируемыми выходными параметрами для термообработки деталей цилиндрической формы
-
Разработана система автоматического управления плазменным технологическим комплексом, обеспечивающая оптимизацию и стабилизацию его параметров для получения деталей при термообработке с заданными прочностными характеристиками.
-
Разработана методика построения системы автоматического управления плазменным технологическим комплексом для достижения заданных показателей качества.
-
Выделены режимы термообработки плазменным технологическим комплексом деталей цилиндрической формы, при реализации которых возможно достижение требуемых показателей качества технологического процесса.
Практическая значимость работы
Внесен вклад в развитие плазменных технологических комплексов на базе кольцевого плазмотрона с регулируемыми выходными параметрами с расчетом показателей качества термообработки гильзы блока цилиндров двигателя. Результаты диссертационной работы являются теоретической основой для определения технологических параметров плазменного упрочнения деталей и позволяют сформулировать рекомендации по граничным значениям показателей качества с целью повышения эффективности термообработки. Разработан кольцевой плазмотрон (патент №2006123791).
Результаты диссертационной работы внедрены и использованы на практике в «Департаменте развития и внедрения новых разработок» ОАО «КАМАЗ», ЗАО НПО «Оптоойл» и учебном процессе ИНЭКА.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением аттестованных измерительных средств и подтверждается совпадением результатов моделирования и экспериментальных металлографических исследований образцов деталей, обработанных с использованием кольцевого плазмотрона в пределах допустимых погрешностей.
Автор защищает:
-
Зависимости среднемассовой температуры плазменного потока, определяющие показатели качества обрабатываемых деталей
-
Математическую модель плазменного технологического комплекса на базе кольцевого плазмотрона с регулируемыми выходными параметрами для термообработки деталей цилиндрической формы.
-
Систему автоматического управления плазменным технологическим комплексом, обеспечивающую оптимизацию и стабилизацию его параметров для получения деталей при термообработке с заданными прочностными характеристиками.
-
Методику построения системы автоматического управления плазменным технологическим комплексом для достижения заданных показателей качества.
-
Режимы термообработки плазменным технологическим комплексом деталей цилиндрической формы, при реализации которых возможно достижение требуемых показателей качества технологического процесса.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Наука и практика. Диалоги нового века» (г. Набережные Челны 2003г.); Межвузовской научно-практической конференции (г. Набережные Челны 2005г.); VI Международном симпозиуме «Ресурсоэффективность и энергосбережение» (г. Казань 2007 г.), Третьей Российской студенческой научно-технической конференции “Вакуумная техника и технология” (г. Казань 2007г.); научных семинарах кафедр «Компьютерных систем» Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева и «Высокоэнергетическая и пищевая инженерия» Камской государственной инженерно-экономической академии 2003-2007г.
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 работах, в том числе 2 работы в журналах, рекомендованных ВАК. Получен патент на полезную модель кольцевого плазмотрона.
Личный вклад автора в диссертационную работу состоит: в выборе и обосновании методик разработки системы автоматического управления и проведения экспериментальных исследований, анализе, синтезе, расчете параметров и обобщении полученных данных.
Структура и объём диссертации. Диссертация содержит 131 страницу машинописного текста, 64 рисунка и 3 таблицы и состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 99 наименований и приложения на 10 листах.
Похожие диссертации на Управление плазменным технологическим комплексом для термообработки деталей с заданными прочностными характеристиками
