Введение к работе
Актуальность работы. В машиностроении большое количество деталей имеет ячеистую конструкцию типа вафельных углублений. Особенно часто такие конструкции используются в авиационно-космической отрасли, где они применяются для изготовления панелей, обтекателей из черных и цветных сплавов, корпусов топливных баков. Главным требованием к подобным изделиям является минимизация массы при сохранении высокой жесткости и прочностных свойств. С этой целью перемычки между углублениями уменьшают до величины, соизмеримой с глубиной измененного слоя, который становится необходимым элементом при оценке точности рассматриваемого элемента вафельных конструкций, измерение и оценка микроповерхности металлических деталей после нетрадиционных технологических операций должны выполняться также нетрадиционными методами.
Для наиболее часто используемой в производстве таких деталей размерной электрохимической обработки (ЭХО) прямые физические измерения микронеровностей дают хотя стабильный, но неточный результат, что вызывает опасение утраты прочностных показателей силовых вафельных изделий. Разработанный в последние годы метод оценки поверхностного слоя на основе фрактального анализа дает возможность перейти к расчету и назначению предельных размеров перемычек вафельных конструкций, сохраняя требуемые эксплуатационные характеристики при минимизации массы изделий.
Новый подход позволяет решить актуальную проблему проектирования и изготовления облегченных высокопрочных объектов вафельного типа, что востребовано в перспективных изделиях машиностроения и способствует созданию конкурентоспособной продукции отечественного машиностроения. Это направление работ актуально для промышленности и отвечает государственным программам страны.
Работа выполнена в соответствии с Федеральной космической программной России на 2006 – 2015 годы (с изменениями, утвержденными постановлением Правительства Российской Федерации от 31 марта 2011 г. № 235) и Программой стратегического развития Университета машиностроения в период с 2012 по 2020 годы (от 28.11.2011 г.).
Целью диссертационного исследования является научное обоснование и установление рациональной области использования оценки микроповерхности металлических деталей после размерной ЭХО с использованием фрактального анализа применительно к технологии изготовления облегченных деталей вафельной конструкции.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать методику оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО с применением фрактального анализа.
2. Описать механизм процесса формирования электрохимически обработанной поверхности на основе фрактального анализа, учитывающий стадию пленкообразования.
3. Создать математическую модель процесса формирования электрохимически обработанной поверхности на основе фрактального анализа, учитывающую стадию пленкообразования.
4. Исследовать взаимосвязи параметров режима размерной ЭХО, свойств поверхности и фрактальной размерности при обработке облегченных деталей вафельной конструкции.
5. Разработать процедуру регулирования режимов размерной ЭХО и оценки структурно-динамических свойств микроповерхности деталей вафельной конструкции, состоящую из критериев фрактальности микроповерхности и многомерной шкалы, учитывающей взаимосвязь параметров режима размерной ЭХО, фрактальной размерности и свойств поверхности.
6. Разработать технологический процесс контроля качества поверхностного слоя облегченных деталей вафельной конструкции.
Объект исследования – детали вафельной конструкции, обработанные размерной электрохимической обработкой.
Предмет исследования – оценка свойств электрохимически обработанной микроповерхности деталей вафельной конструкции с использованием фрактального анализа.
Теоретическая и методологическая основа исследования. В основе диссертационного исследования лежат теоретические концепции и методологические подходы отечественных и зарубежных ученых в области электрохимической обработки, методов оценки параметров поверхностного слоя деталей машин, фрактального анализа, теории шкал, обеспечивающие системность и комплексность изучения проблем эффективного производства деталей вафельной конструкции.
Основные методы исследования. Определение наличия у образцов фрактальных свойств осуществлялось совместным использованием специализированной компьютерной программы «Nova» и статистического анализа. Фрактальный анализ образцов выполнялся с использованием сканирующей зондовой микроскопии и программы «Nova». Независимый фрактальный анализ образцов производился в ИРЭ РАН методом сеток на специальном компьютерном программном обеспечении. Исследование взаимосвязи режимов размерной ЭХО, геометрических параметров поверхности и фрактальной размерности базировалось на математическом моделировании и на результатах фрактального анализа образцов. Поляризационные исследования осуществлялись с помощью потенциодинамического метода. Эксплуатационные исследования проводились на серийной установке ВЭДС–200 и на установке рычажного типа с последующим металлографическим, спектральным и рентгеноструктурным анализом. Построение многомерной шкалы основывались на теории шкал.
Информационную и эмпирическую базу исследования составили сведения по состоянию и развитию метода размерной ЭХО, методов оценки параметров поверхностного слоя деталей машин, нормативные документы, касающиеся вопросов шероховатости поверхности и проверки отклонения вероятностей от нормального распределения, теория фракталов, а также результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.
Степень достоверности полученных результатов. Смоделированные значения параметра D, выступающие в качестве индикатора наличия на электрохимически обработанной поверхности кластера «роста» или кластера «разрушения», экспериментально подтверждены по данным фрактального анализа образцов с заведомо известной стадией формирования микроповерхности.
Выявлена высокая точность результатов, полученных как с использованием критериев фрактальности электрохимически обработанной поверхности, так и при вычислении фрактальной размерности в программе «Nova». Оценка проводилась по результатам многократной обработки структур с известной степенью фрактальности, а также по данным независимого исследования, проведенного в ИРЭ РАН.
Достоверность результатов работы подтверждается также внедрением результатов исследований на предприятии ЗАО ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева и в учебный процесс кафедры «Стандартизация, метрология и сертификация» Университета машиностроения.
Научной новизной работы являются:
1. Методика оценки качества поверхностного слоя с использованием фрактального анализа, учитывающего фактическую величину значимой части микронеровности после размерной ЭХО.
2. Математическая модель, отражающая связь значимых элементов микронеровностей, полученных после ЭХО, для выбранных значений фрактальной размерности, оцениваемых путем вариантных численных расчетов.
3. Описание механизма процесса формирования электрохимически обработанной поверхности на основе фрактального анализа.
4. Установленные взаимосвязи, позволяющие корректировать режимы размерной ЭХО адаптивными связями с требуемыми параметрами микроповерхности, с использованием оценки фрактальной размерности.
5. Научное обоснование использования методики оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО с учетом специфики изготовления и эксплуатации облегченных деталей вафельной конструкции.
Практическая значимость:
1. Методика оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО с применением фрактального анализа, позволяющая повысить точность оценки микроповерхностии за счет последующей корректировки режима размерной ЭХО, а также облегчить вафельную конструкцию без утраты ее эксплуатационных качеств.
2. Многомерная шкала, учитывающая влияние фрактальной размерности на структурно-динамические характеристики поверхности.
3. Методика расчета эффективных режимов размерной ЭХО и способы оценки структурно-динамических свойств микроповерхности деталей вафельной конструкции, позволяющие с помощью многомерной шкалы установить фрактальность микроповерхности, оценить ее структурно-динамические свойства и определить направление корректировки режима обработки.
4. Технологический процесс контроля качества поверхностного слоя облегченных деталей вафельной конструкции, как часть процесса изготовления, позволяющий повысить точность оценки качества микроповерхности и улучшить эксплуатационные показатели вафельных конструкций.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Механизм и математическая модель процесса формирования поверхности тонкостенной детали после размерной ЭХО, построенные на базе фрактального анализа.
2. Методика оценки качества микроповерхности после размерной ЭХО на примере деталей вафельной конструкции, спроектированная с применением фрактального анализа.
3. Теоретические подходы в построении многомерной шкалы для комплексной оценки характеристик поверхности с учетом ее фрактальных свойств.
4. Критерии фрактальности электрохимически обработанной поверхности.
5. Результаты экспериментальных исследований по определению взаимосвязи параметров режима размерной ЭХО, характеристик поверхности обрабатываемого материала и ее фрактальной размерности.
Реализация результатов работы. Разработанный технологический процесс контроля внедрен на предприятии ЗАО ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева. Критерии фрактальности микроповерхности на основе свойств показателя Херста включены в курс лекций «Инженерные методы обеспечения качества», читаемых кафедрой «Стандартизация, метрология и сертификация» Университета машиностроения.
Кроме того, теоретические, практические и методические результаты работы могут быть использованы при чтении лекций и проведении практических занятий по курсу: «Методы фрактального анализа» (направление подготовки бакалавров 221700.62), а также по программам дополнительного образования для работников машиностроительной отрасли.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской научной школе для молодёжи «Образование в сфере нанотехнологий: современные подходы и перспективы» (Москва, 2010); международной научно-технической конференции «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» (Москва, 2010); международной научно-практической конференции «Евразийское пространство: приоритеты социально-экономического развития» (Москва, 2011); международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии» («Технология-2012») (Орел, 2012).
Некоторые аспекты диссертации легли в основу изданных учебных пособий «Современные методы оценки качества поверхности деталей машин» и «Современные методы исследования поверхности с использованием программы «Nova». Критерии цели», которые используются в Университете машиностроения при проведении практических занятий по курсу «Инженерные методы обеспечения качества».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 5 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] – обработка результатов математического моделирования; [6] – теоретические основы построения многомерной шкалы; [3, 7] – результаты анализа возможностей компьютерной программы «Nova» по статистической обработке поверхностного слоя; [4] – алгоритм применения многомерной шкалы; [5] – результаты исследования взаимосвязей фрактальной размерности поверхностного слоя, его свойств и параметров режима электрохимической обработки; [9] – предложены критерии фрактальности электрохимически обработанной поверхности.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 97 наименований и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 230 страницах, содержит 42 таблицы, 75 рисунков.
