Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современного производства обусловливает все возрастающее внедрение наукоемких и прогрессивных технологий. К ним относится и лазерная обработка материалов, которая позволяет обеспечить требуемые показатели качества технологических процессов (ТП) при соблюдении высокой эффективности производства. Лазерная обработка является одной из технологий, которые определяют современный уровень производства в промышленно развитых странах.
Лазерная технология получила широкое распространение при поверхностной закалке. Однако, возможности использования лазерного излучения (ЛИ) в качестве универсального инструмента реализованы далеко не полностью. Это связано со сложностью происходящих физико-химических процессов при взаимодействии излучения с металлами, и необходимостью обеспечения высокого качества обработанной поверхности, в основном зависящей от уровня автоматизации производственных процессов.
Основные проблемы внедрения автоматизации управления с достижением требуемых показателей качества и характеристик термоупрочнённого слоя на основе импульсных лазеров связаны с малой изученностью быстропротекающих процессов, и влияния воздействия возмущающих факторов при реализации ТП. Разработка алгоритмов управления лазерным технологическим комплексом (ЛТК) в импульсном режиме на основе математической модели протекающих физических процессов является трудоёмкой задачей, т.к. требует выявления связей между показателями качества ТП и информативными параметрами, измеряемыми в реальном времени.
Экспериментальные исследования по модификации микроструктуры металлов под воздействием импульсного ЛИ с применением электростатического поля в зоне воздействия определили подход к созданию системы автоматического управления (САУ) ЛТК в режиме реального времени процесса обработки для получения заданной структуры и свойств зоны термического влияния (ЗТВ). Все это обусловливает необходимость применения новых подходов к управлению процессом термообработки металлов и разработки САУ с обеспечением требуемого качества деталей.
Исследованиям в области лазерной термообработки металлов посвящены работы М.П. Фёдорова, Г.А. Туричина, В.А. Сойфера, В.П. Шорина, А.Г. Григорьянца, И.Н. Шиганова, В.П. Вейко, Е.Б. Яковлева, Г.А. Абильсиитова, В.М. Андрияхина, Г.Г. Гладуша, А.А. Введенова, Е.П. Велихова, И.В. Зуева, В.А. Лопоты, Н.Н. Рыкалина, А.А. Углова и других ученых.
Данная работа посвящена исследованию процессов влияния электростатического поля на глубину зоны фазовых превращений при воздействии ЛИ и на их основе разработке методик и алгоритмов управления процессом термоупрочнения металлов, синтеза структуры САУ ЛТК в импульсном режиме с оптимизацией параметров её звеньев, обеспечивающих требуемые показатели качества управления.
Объект исследования — процесс лазерного термоупрочнения металлов в электростатическом поле.
Предметом исследования является управление процессом термоупрочнения металлов в электростатическом поле.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности ЛТК термообработки металлов с требуемыми показателями качества и характеристиками термоупрочнённого слоя за счет управления электростатическим полем.
Научные задачи работы заключаются в:
-
Разработке эффективной системы управления глубиной термоупрочнения металлов ЛИ на основе результатов экспериментальных исследований влияния напряжённости электростатического поля на физические процессы в зоне воздействия.
-
Разработке методики расчёта глубины зоны фазовых превращений в металле на основе результатов экспериментальных исследований влияния напряжённости электростатического поля на физические процессы в зоне воздействия ЛИ.
-
Разработке методики расчёта значений параметров звеньев структурной схемы САУ ЛТК, определяющий требуемые показатели качества термообработки в электростатическом поле.
-
Определении условий, изменяющих характер зоны фазовых превращений в металлах на основе результатов экспериментальных исследований и вносящие основной вклад в получение заданной глубины термоупрочнения.
-
Разработке и исследовании структурной схемы САУ ЛТК на основе математической модели зависимости глубины зоны модификации в электростатическом поле, от параметров ТП.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы математического моделирования, базирующиеся на основах физики процесса взаимодействия ЛИ с металлами, теории автоматического управления, и реализованные в рамках численных экспериментов. Результаты исследований и измерений обрабатывались с применением пакетов прикладных программ MathCAD 14 и Excel.
Обоснованность и достоверность полученных результатов определяются применением известных теоретических положений фундаментальных наук, использованием теории автоматического управления, корректностью используемых моделей и их адекватностью реальным физическим процессам, совпадением теоретических результатов с данными экспериментов, подтверждённых актами исследовательских лабораторий.
Новизна полученных результатов заключается в следующем:
-
На основе теоретико-экспериментальных исследований влияния модового состава ЛИ на распределение температурного поля в зоне взаимодействия с металлом разработана методика расчёта параметров ТП термоупрочнения, применяемая на этапе технологической подготовки производства в автоматическом режиме, в отличие от других, учитывающая влияние электростатического поля, определяющая условия, при которых достигается заданная глубина закалки.
-
Разработан способ управления глубиной зоны термоупрочнения в металлах, в автоматизированном режиме, воздействием электростатического поля, в отличие от известных, учитывает электропроводность скин-слоя рабочей поверхности деталей на основе теплофизических расчетов, что повышает показатели качества ТП.
-
Разработана функциональная модель управления процессом импульсного термоупрочнения на основе высокоточного датчика углового положения оптической системы ЛТК, в отличие от других, исключающая влияние несовершенства оптических элементов, что позволяет повысить показатели качества ТП.
-
Разработана методика расчёта значений параметров звеньев структурной схемы САУ ЛТК, определяющий требуемые показатели качества термообработки в электростатическом поле.
Практическая значимость диссертационной работы:
- Предложенный способ управления глубиной зоны термоупрочнения позволит снизить энергоёмкость ТП импульсной лазерной закалки, что существенно расширяет возможности применения лазерной технологии;
- Разработанная методика расчёта параметров ТП термоупрочнения металлов обеспечивает требуемые значения показателей качества зоны взаимодействия на этапе технологической подготовки производства в автоматическом режиме, предназначена для конструкторских и технологических отделов и бюро предприятий машиностроения;
- Результаты теоретических и экспериментальных исследований по лазерному термоупрочнению металлов с применением электростатического поля расширяют область знаний, используемых в учебном процессе вуза или при переподготовке специалистов.
Реализация и внедрение результатов работы. Использование метода расчёта параметров ТП, определяющих условия, при которых изменяются качественные характеристики микроструктуры зоны взаимодействия ЛИ с металлами в электростатическом поле, с заданными показателями качества и расчёта глубины зоны фазовых превращений, а также методов автоматического управления ЛТК, позволили повысить показатели качества закалки импульсным ЛИ.
Использование результатов диссертационной работы привело к повышению эффективности ЛТК с получением деталей с заданными показателями качества закалки. Все это позволило повысить эффективность использования лазерного оборудования. Результаты работы внедрены в учебном процессе ГОУ ВПО «ИНЭКА», ГОУ ВПО «КГТУ им. А.Н. Туполева», ОАО «КамАЗ» о чем свидетельствуют акты, об использовании результатов работы.
Диссертационная работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Апробация работы. Основные результаты и отдельные разделы диссертации докладывались и обсуждались на VI и IX Международном симпозиуме «Ресурсоэффективность и энергосбережение» (г. Казань, 2006, 2008), межрегиональной научно-практической конференции «Студенческая наука в России на современном этапе» (ИНЭКА – Наб. Челны, 2008), I и II Межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Камские чтения» (ИНЭКА – Наб. Челны 2009, 2010), Научно-технической конференции при Академии наук РТ «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий», международной научно-технической конференции «Образование и наука – производству» (ИНЭКА – Наб.Челны 2010), научных семинарах кафедр «Электротехники и электроники», «Высокоэнергетической и пищевой инженерии» и «Автоматизации и информационных технологий», «Машины и технология литейного производства» Камской государственной инженерно-экономической академии.
В работах, выполненных в соавторстве, личное участие автора заключается в решении задач по разработке модели расчёта параметров ТП термоупрочнения, по разработке функциональной модели управления процессом импульсного термоупрочнения, по разработке способа управления глубиной зоны термоупрочнения в металлах, по разработке модели расчёта значений параметров звеньев структурной схемы САУ ЛТК, в проведении экспериментальных исследований, в анализе результатов и формулировании выводов.
Публикации. Содержащиеся в диссертации материалы нашли отражение в 8 научных трудах, в том числе, в 1 статье в журнале, рекомендованном ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 55 рисунков, 7 таблиц, список литературы включает 122 наименования.
