Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературный обзор. Особенности, характеристики и режимы электролитно-плазменной обработки. Модели и системы управления родственными объектами электротехнологии 15
1.1 Особенности процесса удаления покрытия из нитрида титана электролитно-плазменным методом 15
1.2 Вольт амперные характеристики процесса электролитно-плазменной обработки 19
1.3 Режимы кипения парогазовой оболочки 28
1.4 Проводимость парогазовой оболочки 31
1.5 Свойства электрической системы «источник питания- ванна» 41
1.6 Системы управления родственными объектами электротехнологии 50
1.7 Алгоритмы управления и модели сложных технологических процессов 55
Выводы к литературному обзору. Пути решения поставленных задач 60
Глава 2 Методика проведения экспериментов и обработки
2.1 Оборудование .
2.2 Планирование эксперимента 65
2.3 Методика математического моделирования 69
2.4 Методика регистрации переменной составляющей тока 71
2.5 Методика анализа переменной составляющей тока 73
Глава 3 Разработка феноменологической модели процесса электролитно-плазменного удаления покрытия 78
3.1 Разработка блок-схемы феноменологической модели 78
3.2 Выбор измеримых параметров технологического процесса 81
3.3 Механизм удаления покрытия на основе представлений о профиле парогазовой оболочки 86
3.4 Регрессионное моделирование параметров состояния поверхности 90
3.5 Исследование области оптимизации режима обработки 103
Выводы к главе 3 107
Глава 4 Разработка информационной модели процесса электролитно-плазменного удаления покрытия 110
4.1 Анализ параметров, измеримых в ходе обработки по 4.2 анализ постоянной составляющей тока 111
4.3 Анализ переменной составляющей тока 115
4.4 Спектральный анализ переменной составляющей тока 118
4.5 Разработка информационной модели процесса на основе корреляционного анализа параметров 121
Выводы к главе 4 127
Глава 5 Разработка алгоритмов управления технологическим процессом удаления покрытия с использованием нейросетевых эталонных моделей 129
5.1 Принципы управления технологическим процессом 129
5.2 Разработка статической эталонной нейросетевой модели процесса 132
5.3 Разработка алгоритма управления длительностью обработки 137
5.4 Разработка динамической эталонной нейросетевой модели процесса 141
5.5 Разработка алгоритма управления напряжением 146
5.6 Структура системы управления процессом с интеллектуальной обратной связью 152
Выводы к главе 5 154
Глава 6 Экспериментальное апробирование алгоритмов управления процесом удаления покрытия 157
6.1 Апробирование алгоритма управления длительностью обработки 157
6.2 Разработка мощного регулятора для управления напряжением 159
6.3 Апробирование алгоритма управления напряжением для удаления покрытия 161
Выводы к главе 6 165
Заключение 166
Список использованных источников
- Вольт амперные характеристики процесса электролитно-плазменной обработки
- Методика математического моделирования
- Механизм удаления покрытия на основе представлений о профиле парогазовой оболочки
- Разработка информационной модели процесса на основе корреляционного анализа параметров
Введение к работе
Актуальность проблемы. Современные наукоемкие электротехнологические процессы позволяют осуществлять высокоэффективную модификацию поверхностных слоев при производстве ответственных деталей энергетических машин. К таким процессам относится электролитно-плазменная обработка (ЭПО), позволяющая наносить или удалять защитные покрытия, проводить очистку и полирование поверхностей, осуществлять химико-термическую обработку. От традицжишых методов ЭПО выгодно отличается экологической безопасностью производства за счет использования компонентов рабочих растворов, не относящихся к сильнодействующим ядовитым веществам.
За последние три десятилетия научными школами под руководством Н. А. Амир-хановой, В. В. Баковпа, П. Н. Белкина, Ф. М. Гайсина, П. С. Гордиенко, С. В. Гнеденко-ва, М. Д. Клапкива, М. М. Криштала, И. С. Куликова, Б. Р. Лазаренко, В. В. Любимова,
A. И. Мамаева, Ю.В. Магуровой, Л. А. Снежко, А.М. Смыслова, И. В. Суминова,
О. П. Терлеевой, А. В. Тимошенко, Ю. Н. Тюрина, Л. А. Ушомирской, В. А. Федорова,
B. И. Черненко и др. в России и странах СНГ, а также за рубежом под руководством
Г. Гупта, А. Ерохина, У. Клайна, Дж. Куррана, А. Маттьюза, У. Малайоглы, П. Скелдо-
на, Дж. Томсона и др. проведен значительный объем исследований физико-химических
и технологических аспектов электролитно-плазменных процессов. Разработанная теоре
тическая база позволяет выйти на внедрение в современное производство технологиче
ских процессов электролитно-плазмешзого полирования и плазменно-
электролитического (или микродугового) оксидирования ответственных деталей энерге
тических машин, таких, как рабочие лопатки турбомашин и поршни двигателей внут
реннего сгорания, что обеспечивает повышение их эксплуатационных характеристик.
Маркетинговые исследования показывают перспективность применения процессов
электролитно-плазменной обработки в секторах замещения гальванических покрытий,
подготовки поверхности под нанесение ионно-плазменных покрытий и в инновацион
ных областях применения.
В настоящее время существует объективная потребность промышленных предприятий в автоматизации процессов электролитно-плазменной обработки при производстве деталей энергомашин, так как неопределенность по ряду факторов, таких, как технологическая наследственность, степень выработки электролита, качество электроснабжения, снижает эффективность обработки. Особенность динамики выходных параметров процессов ЭПО, характеризующих состояние поверхности, заключается в насыщении в окрестности предельно достижимого значения при заданном сочетании входных технологических параметров. Кажущийся здесь времешюй резерв обеспечения целевых свойств поверхности в условиях неопределенности, на производстве оборачивается выходом геометрических размеров детали за пределы допуска и неоправданно завышенным энергопотреблением. Решение данной проблемы возможно при создании автоматизированных систем терминального управления процессами электролитно-плазменной обработки. При этом, одной из наиболее важных функций такой системы управления является диагностика неконтролируемых переменных объекта управления - целевых свойств поверхности, таких как толщина покрытия, шероховатость поверхности, микро-твердость и других. Такие автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) должны содержать модули диагностики неконтролируемых переменных и модули поддержки принятия решения о достижении терминального момента окончания процесса, что позволит повысить скорость и качество обработки поверхности, уменьшить процент брака по вине технолога-оператора при изготовлении доро-
гостоящих деталей простой и сложной конфигурации и снизить энергоемкость производства.
Для автоматизированного управления технологическими процессами гальванотехники и анодирования разработаны методы диагностики состояния поверхности в ходе обработки, основанные на фундаментальных закономерностях электрохимических процессов, используемых в сочетании с экспертной визуальной оценкой качества обработки технологом-оператором. Однако данные методы лишь ограниченно применимы для диагностики процессов электролитно-плазменной обработки, которые проводятся при повышенных напряжениях порядка 100...600 В. Такие напряжения приводят к появлению парогазовой оболочки и микроразрядов вблизи поверхности обрабатываемой детали, и определяют электрохимическое, плазмохимическое, электроэрозионное, тепловое и гидродинамическое воздействие на обрабатываемую поверхность, а также выдвигают повышенные требования к электробезопаспости.
В настоящее время рядом исследователей выборочно установлены взаимосвязи между основными свойствами обрабатываемой поверхности и небольшим числом характеристик электрических, акустических и оптических параметров электролитно-плазменных процессов, однако системно не обоснованы физические закономерности, по которым возможна диагностика состояния неконтролируемых переменных процесса ЭПО как объекта управления (ОУ). Данный факт объясняется сложностью и нелинейностью электролитно-шгазменньгх процессов, по сути относящихся к распределенным многосвязным объектам, что и создает серьезные проблемы при создании автоматизированных систем терминального управления процессами ЭПО.
Среди указанных физических параметров электролитно-плазменных процессов, электрические параметры, такие, как напряжение и ток, оказываются наиболее информативными, так как они непосредственно связаны с фундаментальными законами физико-химических явлений, происходящих в ходе ЭПО, наименее зашумлены и обеспечены наиболее широким диапазоном датчиков в составе систем сбора и обработки данных. Преобразование характеристик процесса ЭПО как распределенного объекта управления, к которым относятся распределение потенциала в электролите и парогазовой оболочке, распределение плотности тока, толщины покрытия и шероховатости по поверхности детали, в интегральные электрические параметры, такие, как ток электролизера и напряжение между анодом и катодом, существенно уменьшает информативность канала диагностики локальных свойств поверхности. Данное обстоятельство создает значительную неопределенность в контуре управления технологическим процессом ЭПО, особенно увеличивающуюся при одновременной обработке нескольких деталей в одном электролизере. Однако существует мощное средство повышения информативности каналов диагностики, используемое в смежных областях и заключающееся в применении спектральных методов анализа мгновенных значений напряжения и тока, создающих дополнительную координату в пространстве состояний - частоту, которая также имеет непосредственную связь с фундаментальными кинетическими законами фшико-химических преобразований поверхностного слоя в ходе процессов ЭПО.
Формулирование проблемы. Таким образом, широкому внедрению и эффективному использованию автоматизированных технологических процессов электролитно-плазменной обработки в энергомашиностроении препятствует нерешенная до настоящего времени проблема разработки методологических и теоретических основ создания ав-томатизировашшх систем терминального управления на базе спектральных методов диагностики неконтролируемых свойств поверхности по характеристикам электрических параметров процесса электролитно-плазменной обработки.
Актуальность проблемы подтверждается следующими грантами, при поддержке которых выполнены исследования: грант Президента РФ для молодых ученых - кандидатов наук № МК-1271.2004.8 (2004-2005 гг.); гранты Федерального агентства по науке и инновациям «Проведение научных исследований молодыми учеными по приоритетным направлениям развития науки и техники» № 02.442.11.7501 и «Выполнение научно-исследовательских работ молодыми учеными и преподавателями во время проведения стажировок в зарубежных научных центрах» № 02.444.11.7245 (2006 г.); грант Британского королевского общества для развития совместного сотрудничества с Университетом Шеффилда (2007 г.); грант Британского совета по техническим и физическим наукам (EPSRC) для развития междисциплинарішх исследований (2008 г.); грант Республики Башкортостан для молодых ученых и молодежных научных коллективов (2009 г.).
Цель работы. Разработка метода терминального управлеїшя технологическими процессами электролитно-плазменной обработки на основе спектральных методов диагностики состояния объекта, обеспечивающего повышение производительности, качества обработки, экологической безопасности и снижение энергоемкости при производстве деталей энергетических машин.
Основные задачи, которые потребовалось решить для достижения цели:
-
Экспериментальное исследование механизма процессов электролитно-плазменной обработки как объектов управления для установления оптимальных сочетаний управляющих воздействий, приводящих к целевой модификации поверхности деталей энергетических машин (соответствует п. 3 паспорта специальности).
-
Разработка феноменологической модели на основе исследования характеристик процессов электролитно-плазменной обработки как объектов управления (соответствует пп. 3 и 4 паспорта специальности).
-
Формализованное описание объекта управления па основе нейросетевьгх математических моделей для восстановления закономерностей процессов электролитно-плазменной обработки, скрытых в экспериментальных данных (соответствует пп. 4 и 15 паспорта специальности).
-
Определение границ применимости математических моделей с сосредоточенными параметрами при формализованном описании распределенных процессов электролитно-плазменной обработки как объектов управлеїшя по результатам решения краевой задачи расчета электрического поля в электролизере (соответствует п. 4 паспорта специальности).
-
Разработка спектральных методов диагностики состояния объекта управления на основе его активной и пассивной идентификации для извлечения информации о состоянии неконтролируемых переменных путем сбора и обработки данных об электрических параметрах процессов ЭПО (соответствует пп. 6 и 10 паспорта специальности).
-
Разработка метода терминального управления технологическими процессами электролитно-плазменной обработки на основе спектральных методов диагностики состояния объекта (соответствует п. 3 паспорта специальности).
-
Разработка и апробирование аппаратно-программных комплексов для реализации метода терминального управления технологическими процессами электролитно-плазменной обработки на основе спектральных методов диагностики состояния объекта, обеспечивающих повышение производительности и качества обработки, снижение энергоемкости и улучшение экологической безопасности производства (соответствует п. 10 и п. 18 паспорта специальности).
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, статистического спектрального анализа, аналоговой и цифровой
обработки сигналов, разработки проблемно-ориентированного программного обеспечения, а также методы теории информационных систем. Для построения моделей объекта управления и их анализа использовались методы теории электромагнитного поля, нелинейных электрических цепей, методы конечных элементов и многосеточных моделей, численного интегрирования, методы неиросетевого моделирования и регуляризации нейросетевых моделей при решении обратных задач. Для изучения характеристик объекта управления использовались методы планирования эксперимента, рентгенофазового анализа поверхности, электронной и оптической микроскопии, электрохимической им-педансной спектроскопии, измерения шероховатости, градиентные методы оптимизации. Исследование математических моделей и обработка экспериментальных данных проводились на основе оригинальных программ для персональных ЭВМ, составленных с использованием пакетов прикладных программ MATLAB, LabView и Visual Studio.
Обоснованность и достоверность результатов
Обоснованность полученных в диссертационной работе результатов основала на использовании апробированных научных положений и методов исследования, корректном применении математического аппарата и методов обработки данных, согласовании новых результатов с известными теоретическими положениями.
Достоверность полученных теоретических и методологических положений и выводов работы подтверждается комплексом экспериментальных исследований и результатами имитационного моделирования. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением современных средств измерения свойств поверхности, обработанной в ходе ЭПО, использованием сертифицированной и аттестованной измерительной аппаратуры, корректной статистической обработкой данных эксперимента. Научная новизна
-
Новизна результатов исследования процессов ЭПО как объектов управления заключается в выявлении диапазона оптимальных сочетаний управляющих воздействий, таких, как напряжение источника и температура электролита, для целевой модификации поверхности, и отличается установлением механизма воздействия парогазовой оболочки и микроразрядов, что позволяет сформулировать методологические основы для выбора класса управлений процессами электролитно-плазмешюй обработки.
-
Новизна разработанной феноменологической модели процесса ЭПО как объекта управления состоит в выявлении взаимосвязей между контролируемыми и неконтролируемыми переменными объекта управления на основе представлений о воздействии микроразрядов и парогазовой оболочки на обрабатываемую поверхность, и отличается системным объединением известных закономерностей процессов с формированием оксидного слоя и процессов с формированием парогазовой оболочки, что позволяет сформулировать единые теоретические основы для разработки метода терминального управления технологическими процессами ЭПО.
-
Новизна разработанных математических моделей процесса ЭПО заключается в установлении нейросетевых структур, обеспечивающих восстановление и формализацию взаимосвязей между контролируемыми и неконтролируемыми переменными объекта управления, выявленных в рамках феноменологической модели, отличающихся тем, что для регуляризации обратной задачи и обоснования адекватности моделей использован байесовский подход, что позволяет проводить оптимизацию процессов электролитно-плазмешюй обработки и разрабатывать интеллектуальные алгоритмы терминального управления объектом.
-
Новизна решения краевой задачи расчета электрического поля в электролизере заключается в установлении границ применимости математических моделей с сосредо-
точенными параметрами при формализованном описании распределенных процессов электролитно-плазменной обработки как объектов управления, и отличающегося тем, что учтена параметрическая нелинейность объекта, а именно, зависимость тока от напряжения источника и температуры электролита, что позволяет использовать модели объекта с сосредоточенными параметрами для решения обратных задач оптимизации, диагностики и управления процессами ЭПО.
-
Новизна спектральных методов диагностики процессов ЭПО заключается в разработанных методологических основах активной и пассивной идентификации состояния объекта управления на основе сбора данных и анализа электрических характеристик, таких, как изменяющиеся во времени оценки импедапсного спектра и спектра переменной составляющей тока, отличающихся установлением взаимосвязей между неконтролируемыми и контролируемыми переменными состояния объекта в ходе обработки, что позволяет создавать новые способы оперативной диагностики целевых свойств поверхностного слоя, таких как толщина покрытия, шероховатость поверхности и других (патенты РФ №№ 2133943,2240500,2227181, 2366765).
-
Новизна метода терминального управления технологическими процессами электролитно-плазменной обработки заключается в формировании оптимальных сочетаний управляющих воздействий и в управлении моментом прерывания процесса, отличающихся тем, что управляющие воздействия формируются в виде напряжения на электролизере и температуры электролита, стабилизируемых во времени по первому контуру управления, а терминальный момент прерывания процесса определяется во втором контуре управления на основе разработанных спектральных методов диагностики, что позволяет создавать новые способы и алгоритмы терминального управления процессами ЭПО (патенты РФ №№ 2119975,2202451, 2360045).
-
Новизна аппаратно-программных комплексов заключается в реализации метода тершшального управления технологическими процессами электролитно-плазменной обработки, отличающегося использованием оптимальных сочетаний управляющих воздействий, спектральных методов пассивной и активной идентификации объекта по электрическим характеристикам и интеллектуальных алгоритмов терминального управления объектом, что позволяет повысить производительность и качество обработки, снизить энергоемкость для существующих процессов ЭПО и улучшить экологическую безопасность производства при замене традиционных процессов обработки поверхности на процессы электролитно-плазменной обработки с управлением на основе спектральных методов диагностики состояния объекта.
Практическая значимость работы
-
Использование оптимальных сочетаний управляющих воздействий на процесс ЭПО позволяет повысить скорость электролитно-плазменных процессов оксидирования алюминиевых сплавов типа BS6082, полирования мартенситных сталей, подобных ЭИ-961ш и 20X13, дает возможность удаления покрытий: нитрида титана с нержавеющих сталей, аналогичных ЭИ-961ш, хромового и алюминидного с никелевых сплавов, подобных ХН60ВТ и ЖС6У, и создает условия для применения систем терминального управления объектом на основе спектральных методов диагностики.
-
Применение феноменологической модели ТП ЭПО на практике позволяет автоматизировать и целенаправленно проводить электролитно-плазмешше процессы оксидирования, полирования и удаления покрытий при изготовлении и ремонте ответст-ветшх деталей энергетических машин на основе установленных закономерностей изменения свойств поверхностного слоя, таких как толщина покрытия, шероховатость по-
верхпости, полнота удаления покрытия, в зависимости от напряжения источника питания, температуры электролита и длительности обработки.
-
Разработанные нейросетевые математические модели процесса ЭПО аппроксимируют динамику изменения толщины покрытия, шероховатости поверхности и других технологических параметров в зависимости от напряжения и температуры электролита и позволяют оптимизировать сочетание входных технологических параметров процесса ЭПО по заданным критериям качества и ограничениям. Разработанные инверсные нейросетевые модели обеспечивают функционирование модуля интеллектуальной диагностики процесса ЭПО по спектральным характеристикам в составе АСУ ТП.
-
Решение краевой задачи расчета электрического поля в электролизере ТП ЭПО позволяет осуществлять оптимизацию геометрических размеров технологических ванн с учетом параметрической нелинейности объекта управления на стадии проектирования.
-
Применение разработанных спектральных методов диагностики процессов ЭПО обеспечивает создание новых способов идентификации неконтролируемых переменных объекта управления по электрическим характеристикам с относительной погрешностью порядка 10 % для осуществления функции контроля в составе АСУ ТП.
-
Применение разработанного метода терминального управления обеспечивает создание новых способов и алгоритмов управления процессами электролитно-плазменной обработки, основанных на сочетанші оптимальных значений управляющих воздействий, спектральных методов диагностики неконтролируемых свойств поверхности и интеллектуальных средств поддержки принятия решения о наступлении терминального момента окончания процесса.
-
Предложенные аппаратно-программные комплексы для реализации метода терминального управления техпологическими процессами электролитно-плазменной обработки позволяют повысить качество оксидирования, полирования и удаления покрытий при изготовлении и ремонте деталей энергомашин, снизить процент брака путем исключения перетравливания поверхности, уменьшить энергопотребление в 1,2...1,5 раз за счет исключения времени обработки в конце процесса, не приводящего к целевому модифицированию поверхности и повысить в среднем на 25 % экологическую эффективность производства при замене традиционных процессов обработки поверхности на процессы ЭПО с управлением на основе спектральных методов диагностики состояния объекта.
Практическая значимость результатов подтверждается их использованием в УГАТУ, в Университете Шеффилда, на ОАО «КумАПП» и на ОАО «УМПО». Совместно с ОАО «КумАПП» создана научно-исследовательская лаборатория плазменно-электролитического оксидирования деталей вертолетной техники.
На защиту выносятся:
-
Механизмы процессов электролитно-плазменной обработки как методологическая основа разработки систем управления.
-
Феноменологическая модель процессов электролитно-плазменной обработки как объектов управления.
-
Нейросетевые математические модели процессов электролитно-плазменной обработки как объектов управления.
-
Результаты определения границ применимости математических моделей с сосредоточенными параметрами при формализованном описании процессов электролитно-плазменной обработки как объектов управления.
-
Спектральные методы диагностики процессов электролитпо-плазменной обработки, обеспечивающие извлечение информации о состоянии неконтролируемых переменных объекта управления из контролируемых электрических характеристик.
-
Метод терминального управления технологическими процессами ЭПО на основе спектральных методов диагностики состояния объекта.
-
Аппаратно-программный комплекс для реализации метода терминального управления технологическими процессами электролитно-плазмешюй обработки на основе спектральных методов диагностики состояния объекта.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научных конференциях, наиболее значимые из которых: Всероссийская конференция «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Таганрог, 1996, 2004; III Международная конференция «Электромеханика и электротехнологии», Клязьма, 1998; Международная конференция «Передовые технологии на пороге XXI века», Москва, 1998; Международная конференция «Технология, инновация, качество-99», Казань, 1999; Ш Международная конференция «Применение научных результатов конверсии для международного сотрудничества», Томск, 1999; Всероссийская научная конференция «Управление и информационные технологии», Санкт-Петербург, 2003; Европейские конгрессы (EUROMAT-2003, EUROMAT-2009), Лозанна, Швейцария, 2003, Глазго, Великобритания, 2009; I, II и Ш Международные конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей», Кострома, 2003, 2007, 2010; IV Международная конференция «Идентификация систем и проблемы управления (SICPRO'05), Москва, 2005; Международная конференция Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) «Современная техника и технологии» (МТТ-2005), Томск, 2005; Международные конференции (ICMCTF-2007, ICMCTF-2008, ICMCTF-2010, ICMCTF-2011), Сан-Диего, США, 2007, 2008, 2010, 2011; V Международная конференция «Математическое моделирование технологий обработки материалов» (ММТ-2008), Самария, Израиль, 2008; V Международная конференция и Симпозиум «Электрические методы обработки материалов», поев. 100-летию со дня рождения академика Б. Р. Лазаренко, Киппшев, Молдавия 2010; VI Международная конференция «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технолопш производства и утилизации изделий», Ялта, Украина, 2010; 61-й ежегодный Конгресс Международного общества электрохимии, Ницца, Франция, 2010; Всероссийская конференция «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения», Уфа, 2010; XVI Международный конгресс двигателестроителей, Рыбачье, Украина, 2011; Российская научно-практическая конференция, поев. 85-летию со дня рождеїшя чл.-корр. РАН Р. Р. Мавлютова «Мавлютовские чтения», Уфа, 2011.
Связь исследований с научными программами
Работа выполнена на кафедре теоретических основ электротехники Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках следующих программ: Федеральной программы Министерства науки и технологий РФ «Наукоемкие технологии» на 1995-2000 годы, головная организация — Инженерный научно-производственный центр «Технология» при Самарском государствешюм аэрокосмическом университете; Федеральной целевой научно-технической программы Федерального агентства по науке и инновациям «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы; договора о творческом сотрудничестве на 2009-2014 годы с Университетом Шеффилда (Великобритания) в об-
ласти диагностики и управления процессами электролитно-плазмешюй обработки; договора о сотрудничестве на 2011-2016 годы с ОАО «Кумертауское авиационное производственное предприятие» в области разработки технологических процессов плазменно-электролитического оксидирования, имеющих современные системы автоматизации, управления и диагностики.
Публикации. Основные научные и практические результаты диссертации опубликованы в 56 печатных работах, в том числе в 11 статьях в рецензируемых научных журналах из списка ВАК, 6 статьях в рецензируемых научных журналах, издаваемых за рубежом, 1 главе в рецензируемой коллективной монографии, изданной за рубежом, 7 патентах РФ и 5 свидетельствах об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, включает 371 страницу текста, содержит 165 иллюстраций, 57 таблиц и библиографический список из 220 наименований.
Все научные положения, сформулированные в диссертации, получены соискателем лично. Соискатель с благодарностью отмечает, что на формирование его научного мировоззрения значительное влияние оказали С. А. Горбатков (научный руководитель кандидатской и научный консультант докторской диссертации), У. Гарднер (Университет Калифорпии, Дэвис, США), А. Л. Ерохиц (Университет Шеффилда, Великобритания) и Р. Р. Невьянцева (научный руководитель кандидатской диссертации).
Вольт амперные характеристики процесса электролитно-плазменной обработки
Исследования осциллограмм тока позволили авторам работы [19] предположить следующий механизм рассматриваемых явлений. В начальной стадии процесса, сразу после включения тока, в результате электролиза происходит интенсивное выделение пузырьков газа, состоящего из паров электролита и водорода. Пузырьки имеют различную форму и размеры. На образование пузырьков влияют молекулярные свойства электролита и материала электрода, поле двойного электрического слоя и температура раствора. Возникающие на катоде пузырьки и перемычки из электролита создают так называемый «пузырьковый слой», который приводит к местному разобщению электролита с поверхностью катода. Ток в этом случае может протекать только через перемычки между пузырьками из-за незначительной электропроводности газа в пузырьках. Электрическое сопротивление «пузырькового слоя» определяется в основном площадью непосредственного соприкосновения электрода с электролитом. В работе [21] отмечается, что отношение величины поверхности, занятой паром, к контактирующей с жидкостью поверхности - величина постоянная и равна 4,092.
Так как ток протекает только по отдельным мостикам, то происходит мгновенный нагрев прилегающего к катоду слоя жидкости и образование вокруг него парогазовой оболочки. Пузырьки водорода служат центрами образования пара и способствуют образованию ПГО. Упругостью выделяющегося газа и паров жидкость оттесняется от катода, и значение тока снижается. При условиях, недостаточных для поддержания такого состояния, образующаяся «паровая рубашка» конденсируется, соприкасаясь с окружающей массой электролита, и величина тока возрастает. Так вновь создаются условия для повторения цикла, т.е. для интенсивного выделения водорода и образования парогазовой оболочки. Образование ПГО и ее конденсация, которая происходит в первой фазе, проявляют себя ритмичной пульсацией силы тока в общей цепи. В случае сочетания условий, способствующих образованию парогазовой оболочки, с условиями, обеспечивающими ее последующую конденсацию, частота прерывания достигает максимума. Условия образования и конденсации ПГО обусловливают характер кривой изменения тока в каждом импульсе. Таким образом, на вольтамперной характеристике существуют участки, соответствующие различным режимам электролитно-плазменной обработки.
Рассмотрим некоторые особенности указанных режимов. В.Н. Дураджи и И.В. Брянцев [22] отмечают, что первый режим (обычный электролиз) протекает на аноде при небольшой плотности тока. Электролизу соответствует начальный участок вольтамперной характеристики. Повышение напряжения до 60-70 В и плотности тока до 10-16 А/см приводит к возникновению переходного или коммутационного режима, характеризуемого тем, что вокруг активного электрода периодически образуется ПГО, приводящая к запиранию тока в течение 10 с. Коммутационному режиму соответствует область ВАХ с отрицательным динамическим сопротивлением. При напряжении 80-90 В образуется стационарная ПГО, и плотность тока уменьшается до 0,5-1 А/см . Этот режим впервые установлен Келлогом в 50х г.г. [23], который назвал его анодным эффектом в электролитах. Указанному режиму соответствует область ВАХ с нулевым динамическим сопротивлением. При этом режиме в ПГО протекают электрические разряды и наблюдается свечение, и температура электрода возрастает от 165 до 1000 С. Дальнейшее повышение напряжения после установления стабильного режима нагрева увеличивает интенсивность свечения электрических разрядов и толщину ПГО, а на отдельных участках приводит и к ее срыву. Происходит также интенсивное перемешивание электролита за счет струи, движущейся вниз от нижнего конца электрода, температура нагрева которого значительно меньше 100 С. Величина тока уменьшается в 2-2,5 раза, и устанавливается режим, при котором наблюдаются электрогидродинамические явления в электролите. Электрические разряды, протекающие в ПГО, носят уже другой характер. Электрогидродинамический (ЭГД) режим характеризуется участком ВАХ с положительным динамическим сопротивлением. Установление ЭГД режима сопровождается резким падением температуры электрода до 80-90 С. Напряжение перехода к ЭГД режиму определяется составом электролита, величиной коэффициента поверхностного натяжения и кинематической вязкостью электролита. Для таких электролитов, как NaOH и КОН при концентрации более 3 %, ЭГД режим наступает сразу же после коммутационного, и стабильная стадия высокотемпературного нагрева отсутствует. Напряжение установления ЭГД режима повышается с увеличением глубины погружения и диаметра электрода. Одновременно возрастает амплитуда переменной составляющей тока.
Установлено, что в стадии ЭГД режима характер протекающих явлений и структура парогазовой оболочки определяются составом электролита. В водных растворах кислот (H2SO4, HNO3) образуется стабильная ПГО толщиной 0,2-0,4 мм, которая постоянно колеблется. В приэлектродной области возникает слой, насыщенный мелкими пузырьками, имеющими различные заряды. Отрицательно заряженные пузырьки притягиваются к активному электроду, а положительно заряженные - отталкиваются от него. Все это обусловливает протекание электрогидродинамических эффектов. При использовании раствора NaCl или NaOH с увеличением напряжения парогазовая оболочка, при установлении ЭГД режима увеличивается в течение 5-6 с, достигая толщины в несколько миллиметров, и периодически схлопывается. При этом верхняя часть электрода контактирует с электролитом, а на нижней сохраняется ПГО. Поэтому авторы предполагают, что в данном режиме в верхней части протекает пузырьковое кипение, и осуществляется мостиковое соприкосновение электролита с электродом, обусловливая появление низкочастотных импульсов тока. Высокочастотные импульсы тока относятся к существованию коронного разряда в ПГО [22].
Электрогидродинамический режим используется в электрогидро-импульсном преобразователе энергии (ЭГИПЭ) на одном или ряде активных элементов преобразователя - штырьке или небольшом отверстии, у которого происходит фазовое превращение жидкости и формирование разряда. В работе Теляшова Л.Л. [24] этот разряд называется "беспробойным разрядом в жидкости". При подаче высоковольтного напряжения на рабочие электроды через разделяющую их жидкость начинает протекать нарастающий по величине разрядный ток. Непосредственно у поверхности штырька 1 (рисунок 5), выступающего из диэлектрика 2 на величину своего радиуса, наблюдается максимальная плотность тока, наибольший джоулев нагрев жидкости и ее вскипание на готовых центрах. После появления первых пузырьков пара вскипание жидкости приобретает лавинный характер, обусловленный увеличением плотности тока за счет сокращения площади контакта штырька 1 с жидкостью.
Методика математического моделирования
Процесс электролитно-плазменного удаления покрытий малоизучен с точки зрения теории автоматического управления. Поэтому для построения системы управления технологическим процессом проводится анализ систем управления родственными объектами электротехнологии. Для электролитно-плазменной обработки из ряда электрофизических и электрохимических методов обработки материалов, таких как электроэрозионная, размерная электрохимическая, электроннолучевая, светолучевая, плазменная, электровзрывная и магнитоимпульсная, наиболее родственными являются процессы электроэрозионной (ЭЭО), электрохимической размерной (ЭХО) и электровзрывной (ЭВ) обработки. Выбор указанных методов обусловлен наличием обработки детали в жидкостной фазе.
Основные технологические параметры процесса ЭЭО зависят от количества выплавленного за один импульс металла из лунки, определяемого энергией импульса, временем действия импульсов и частотой их следования. Длительность импульсов составляет от 0,2 с до долей микросекунд при токе от 100 до 0,05 А в зависимости от чистоты обработки. Форма импульсов определяет качество поверхности, производительность, износ электрод-инструмента [36]. Станки для электроэрозионной обработки имеют механическую часть, источник питания, генератор импульсов, ванну для обработки, систему очистки и подачи рабочей среды в зону обработки и блоки управления процессом. Одной из основных задач управления процессом ЭЭО является подача электрод-инструмента с заданной точностью для обеспечения регулирования межэлектродного зазора (МЭЗ). В качестве параметров регулирования могут использоваться мгновенное и среднее значение напряжения на электродах, среднее значение тока в цепи электродов, сопротивление среды, изменение величины напряжения и тока от импульса к импульсу, время запаздывания пробоя и другие. Поэтому современные исследования в области управления электроэрозионными станками охватывают проблемы связи формы и вида импульсов тока и напряжения с качеством поверхности, режимами обработки и износом электрод-инструмента.
Из анализа патентной литературы по системам управления ЭЭО следует, что основными задачами управления являются обеспечение заданного качества обрабатываемой поверхности, производительность, предотвращение дугового разряда и устранение обрыва электрода-проволоки.
Решение задачи обеспечения заданного качества обрабатываемой поверхности и производительности рассматривается, например, в патентах [37 - 41]. В работе [37] рассматривается способ и устройство для настройки режима электроэрозионной обработки на основе установленной связи между энергией импульса, ходом электрода и качеством поверхности изделия для ряда материалов. В результате реализовано экстремальное программное управление по эталонной модели. В работе [38] предложен способ управления процессом электроразрядной обработки путем регулирования сопротивления рабочей жидкости в межэлектродном промежутке (МЭП). На основании установленных закономерностей между электрическим сопротивлением МЭП и размером выплавленной лунки осуществляется управление движением электрода-инструмента. В работе [39] предложен станок для электроэрозионной обработки, обеспечивающий повышение производительности. Стабильный оптимальный режим обработки обеспечивается следующим образом. Длительность импульса прикладываемого напряжения разбивается на три интервала. Операционный блок оценивает отношение количества импульсов тока разряда на первом и втором интервалах для серии импульсов напряжения и сравнивает его с базовым значением. На основании сигнала рассогласования регулируется опорный уровень напряжения в следящей системе. Система адаптивного управления станком в работе [40] регулирует импульсы напряжения на МЭП на основе анализа формы волны тока разряда. В работе [41] описан управляемый источник питания для ЭЭО непрофилированным электродом. Цепь импульсного разряда источника подает на межэлектродный промежуток ток разряда треугольной формы. Длительность фронтов и частота следования импульсов определяется операционным блоком в соответствии с заданным законом управления по параметрам предыдущего импульса.
Управление с целью предотвращения возникновения дуги представлено в патентах [42 - 43]. В работе [42] предотвращение дугового разряда обеспечивается на основании классификации формы колебаний тока или напряжения по высокому и низкому эталонным уровням. В работе [43] предложен способ прогнозирования возникновения дуги на основе анализа длительности фронтов включения и выключения, зависящих от электрических характеристик МЭП.
Механизм удаления покрытия на основе представлений о профиле парогазовой оболочки
Все относительные значения приведены относительно начального значения соответствующего параметра.
Оценка статистических характеристик воспроизводимости опытов проводилась по методике, изложенной в работе [66] по двум опытам в центре плана №15 и №24. Полученные данные приведены в таблице 7. Таблица 7 Воспроизводимость откликов
Параметр Дисперсиявоспроизводимостиав2 Стандартноеотклонениевоспроизводимости Относительнаяпогрешностьвоспроизводимости% Анализ данных, приведенных в таблице 7, показывает, что относительная погрешность воспроизводимости всех приведенных параметров не превышает 10%, что соответствует точности поддержания напряжения источника питания.
Как указывалось выше, для решения проблем управления технологическим процессом электролитно-плазменного удаления покрытия необходимо изучение физико-химических процессов, протекающих в парогазовой оболочке и на поверхности анода. Детально влияние функционирования ПГО на электролитно-плазменное удаление покрытия было рассмотрено в авторской статье [74].
Проанализируем некоторые результаты экспериментов для условий, соответствующих полнофакторному ядру плана. На рисунке 30 показана динамика состояния поверхности. Для простоты изложения введем условные обозначения режимов обработки: U=179 В, Т0=56 С - режим I, LK320 В, T0=56 С - режим II, U=179 В, Т0=84 С - режим III, U=320 В, Т0=84 С -режим IV.
Исследования показывают, что за время обработки 605 с съем покрытия осуществляется только с ограниченной части образца. Зоны поверхности, с которых полностью удалено покрытие, находятся в различных частях образца. Участки поверхности, которые не освобождены от покрытия, на рисунке 30 показаны серым цветом. Участки, с которых удалено покрытие с образованием матовой поверхности, показаны штриховкой. Участки, с которых удалено покрытие с образованием полированной поверхности, не заштрихованы.
Рассмотрим влияние функционирования ПГО на состояние поверхности. Как показано в литературном обзоре, тип кипения недогретой воды в большом объеме определяется разностью между температурой нагревающей поверхности и температурой кипения жидкости. Если эта разность составляет до 30-50 С, то ПГО характеризуется пузырьковым типом кипения. Если разность температур составляет от 30-50 до 200 С, то ПГО свойственен переходный тип кипения. Если эта разность больше 210 С, то в ПГО устанавливается стабильное пленочное кипение. Кроме того, поддержание ПГО происходит не только за счет выделения тепла, но и выделения кислорода по реакции (22). Благодаря этому, приведенные интервалы сужаются в 1,5-2 раза [13]. Измерения показали, что в случае режима І в начале обработки температура анода достигает 150 С, а в случае режима IV -105 С. Поскольку температура кипения 5% раствора сульфата аммония составляет 100,2 С, то предполагается, что в начале обработки в режиме I ПГО функционирует по неустойчивому пленочному типу кипения, а в режиме IV - по пузырьковому.
Предполагается также, что при различных режимах меняется не только тип кипения, но и толщина парогазовой оболочки. Кроме того, следует учитывать, что в верхней части ПГО происходит ее расширение в связи с ослаблением давления столба жидкости электролита. Необходимо также учесть, что температура электролита не поддерживается постоянной, а повышается вследствие тепловыделения в парогазовой оболочке. Следовательно, начиная с определенного времени, тип кипения в ПГО при всех условиях становится пузырьковым. Рассмотренные положения являются основой для разработки модели функционирования парогазовой оболочки во время обработки при различных режимах, представленной на рисунке 31.
Разработка информационной модели процесса на основе корреляционного анализа параметров
Рассмотрим зависимость установившегося значения тока от режимов обработки (рисунок 41). В целом установившееся значение тока составляет 0,75-1,25 А, что определяется полным переходом ПГО к пузырьковому типу кипения. Как видно из рисунка, установившееся значение тока не зависит от начальной температуры электролита. Данный факт подтверждает выдвинутое предположение о том, что среднее значение тока отражает установление теплового баланса, и установившееся значение температуры зависит только от приложенного напряжения. Общая тенденция к снижению величины тока от напряжения сохраняется и для установившегося значения тока. Таким образом, характер изменения начального и установившегося значения тока соответствует вольтамперной характеристике, представленной на рисунке 2 в окрестности точки U-j, что отвечает коммутационному и электрогидродинамическому режимам электролитно-плазменной обработки.
На рисунке 42 показана зависимость постоянной времени от режимов, утроенное значение которой соответствует времени установления теплового баланса. Как следует из феноменологической модели, нахождение системы в режиме теплового переходного процесса обеспечивает окисление покрытия для формирования слоев, поддающихся в дальнейшем удалению. Из анализа формы поверхности отклика следует, что наибольшая длительность теплового переходного процесса находится на линии, соединяющей области режимов U=200-220 В, То=50 С и U=290-310 В, То=90 С. Проведено сопоставление указанных областей с результатами регрессионного анализа (см. п. 3.4). Показано, что приведенные области отвечают условиям достижения максимальной площади поверхности, полностью освобожденной от покрытия и минимальной средней шероховатости поверхности соответственно.
Кроме среднего значения, ток в цепи содержит переменную составляющую значительной амплитуды. Как показано в литературном обзоре, в переменной составляющей тока содержится значительный объем информации о процессах в парогазовой оболочке и на поверхности анода. Запись переменной составляющей тока проводилась с помощью описанной в п. 2.4 системы регистрации. Анализ переменной составляющей тока проводился по методике, приведенной в п. 2.5.
На рисунке 43 показаны некоторые виды переменной составляющей тока и характеристики сигнала. Наблюдается существенная зависимость вида сигнала от режимов и времени обработки. Мощно выделить три заметно различающихся вида переменной составляющей тока. Вид А (см. рисунок 43а) представляет собой чередование низкочастотных и высокочастотных импульсов тока. Такой вид свойственен для системы при обработке в режиме І в начальной стадии процесса. Указанный вид колебаний подтверждает идею о функционировании парогазовой оболочки в режиме неустойчивого пленочного кипения и свидетельствует о временном установлении пленочного кипения на всей поверхности образца. Участок перехода от низкочастотных к высокочастотным колебаниям аналогичен осциллограмме д) на рисунке 4, иллюстрирующей переход к пленочному кипению.
Вид В представляет собой суперпозицию периодических колебаний с частотой около 100 Гц с амплитудой порядка 1 А и непериодических высокочастотных колебаний с амплитудой порядка 0,3 А. Указанный вид переменной составляющей тока характерен для области напряжений 250-350 В и исходных температур электролита 50-70 С в начальной стадии обработки. Такой характер свидетельствует о наличии неустойчивого пленочного и пузырькового кипения на различных участках поверхности образца и подтверждается наличием полированной и матовой зон после удаления покрытия в режиме II (см. рисунок 30). Вид рассматриваемого сигнала аналогичен виду осциллограммы, свидетельствующей о нахождении системы в коммутационном режиме (см. рисунок 4а).
Для вида С характерно наличие непериодических колебаний с общей амплитудой порядка 0,5 А и отдельными выбросами тока до 1,5-2 А, длительностью порядка 1 мс. Анализ показывает, что вид С свойственен для режима IV при любом времени обработки и для всех остальных режимов для времени после установления теплового баланса с системе. Сопоставление указанного факта с феноменологической моделью (см. рисунок 31) показывает, что вид С соответствует пузырьковому кипению на всей поверхности образца и электрогидродинамическому режиму электролитно-плазменной обработки.
Таким образом, установлено определенное соответствие между видами сигнала переменной составляющей тока и основными положениями феноменологической модели. Поэтому информация, содержащаяся в сигнале, в совокупности с данными о среднем значении тока могут быть использованы для создания информационной модели процесса ЭПО.
