Введение к работе
Актуальность, успешное развитие машиностроения невозможно без повышения эксплуатационных свойств наиболее нагруженных и дорогостоящих деталей и узлов, имеющих сложную геометрическую форму, которые изготавливаются из жаропрочных, коррозионно-стойких и износоустойчивых материалов. Распространенными причинами поломки являются абразивный износ, возникающий в результате воздействия на рабочие поверхности пыли и песка, трение, высокие температуры и коррозионный износ, возникающий вследствие действия агрессивных сред. Одним из распространенных методов повышения работоспособности деталей является создание покрытий методом электроискрового легирования (ЭИЛ). ЭИЛ обладает рядом положительных качеств, наиболее важными из которых являются высокая адгезия между наносимым слоем и материалом основы, возможность наносить любые токопроводя-щие материалы, простота проведения технологических операций, низкая энергоемкость процесса. Однако, несмотря на все достоинства метода, его распространение в условиях промышленного производства ограничено, что обусловлено нестабильностью протекания процесса, отсутствием технологий и технологического оборудования, позволяющего получать покрытия с однородными свойствами по всей площади обработки. Это связано с рядом нерешенных проблем, связанных с условиями возникновения и протекания электроискрового процесса, взаимосвязью электрических параметров процесса с изменениями в структуре материалов электродов. Существенными недостатками, препятствующими внедрению ЭИЛ в производство, являются низкое качество микрорельефа поверхности, остаточные напряжения, дефекты. Нестабильность процесса ЭИЛ, наиболее ярко проявляющаяся на немеханизированных установках, а также высокая чувствительность структуры покрытия к изменению параметров обработки (температура, газовый состав среды, сила прижатия анода к катоду, режим работы генератора и взаимное положение электродов относительно друг друга) затрудняет контроль и прогнозирование технологических свойств получаемых покрытий.
Все эти недостатки свидетельствуют об актуальности проблемы повышения качества покрытий при ЭИЛ и зависят от стабильности протекания процесса.
Для стабилизации и управления процессом ЭИЛ необходимо выявить ключевые параметры, которые однозначно будут влиять на его протекание. Учитывая нелинейность и многопараметричность процесса, необходимо разработать систему управления и контроля, которая позволит оперировать множеством взаимосвязанных параметров в реальном режиме времени. Кроме этого система должна располагать экспертной базой данных, возможностью обучаться, пополнять свою базу данных и обмениваться данными с другими системами.
Для повышения качества покрытий используют доводочные операции, в основе которых лежит механическое удаление части слоя, в результате чего уменьшается его толщина, и формируются дополнительные растягивающие напряжения, что значительно снижает область применения покрытий. Для получения заданной шероховатости при сохранении исходных свойств покрытия необходимо применять принципиально отличные технологии, например безабразивную ультразвуковую финишную обработку.
Попытки обеспечить стабильность и автоматизировать технологический процесс ЭИЛ предпринимались и ранее, но законченного решения или готового технологического процесса, подходящего для любых деталей и условий их функционирования, до сих пор не существует. В связи с этим данная работа направлена на поиск, анализ и использование наиболее информативных параметров ЭИЛ для разработки основ ав-
томатизации процесса и универсальной технологии получения покрытий и заданного микрорельефа при помощи ультразвукового поверхностного пластического деформирования (УППД).
Цель диссертационной работы повышение качества покрытий изделий, получаемых методом низковольтного электроискрового легирования, на основе систем адаптивного управления и последующей ультразвуковой обработки.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследовать и проанализировать причины нестабильности ЭИЛ. Выявить на
их основе оптимальные параметры (электрические параметры, акустические и свето
вые сигналы, температура и др.) для контроля и управления процессом и разработать
универсальную методику исследования и способы оценки стабильности протекания
процесса электроискрового легирования.
Исследовать и проанализировать влияния температуры, формы, массы и взаимного расположения электродов, световых и акустических сигналов на энергетические параметры системы, качество и стабильность электроискровой обработки для получения функциональных покрытий.
Проанализировать наиболее значимые факторы процесса ЭИЛ и разработать модель адаптивной системы управления для станков с числовым программным управлением.
Выявить физические закономерностиформирования микрорельефа получаемых покрытий в зависимости от различных параметров обработки и разработать методы его оценки, прогнозирования и улучшения в соответствии с функциональными требованиями, предъявляемыми к микрорельефу рабочих поверхностей деталей.
Разработать технологию получения жаростойких покрытий методами ЭИЛ и безабразивной ультразвуковой финишной обработки на станках с числовым программным управлением.
Научная новизна:
Установлено и научно обосновано влияние параметров электроискрового легирования на стабильность протекания процесса и формирование слоя. Показано, что на стабильность комплексно влияют следующие параметры: входные - размеры и форма электродов, начальный режим обработки и свойства используемых материалов; текущие - температура электродов, степень прижатие, траектория перемещение электродов и удельная энергия, определяющие эксплуатационные и физико-механические свойства покрытия.
Разработана модель адаптивной системы управления процессом электроискровой обработки на основе методов нейросетевого управления, регулирования электрических параметров процесса, температуры электродов, состава газо-воздушной среды, силы прижатия анода к катоду.
Исследованы структура и свойства покрытий, полученных методом ЭИЛ, после безабразивной ультразвуковой финишной обработки и разработана методика улучшения эксплуатационных свойств слоя за счет формирования необходимого микрорельефа, твердости и толщины покрытия путем управления усилием прижатия и скоростью подачи выглаживающего индентора.
Практическая ценность от реализации результатов работы: 1. Предложена методика одновременной регистрации и автоматизированной обработки электрических, акустических и световых сигналов, которые сопровождают процесс электроискрового легирования, позволяющая определять число рабочих импульсов и их энергию за заданный период времени.
Спроектирована и реализована экспериментальная установка для исследования температурных, электрических, акустических и световых сигналов, возникающих при ЭИЛ.
Предложена методика контроля изменения геометрических и эксплуатационных параметров покрытия.
Разработан алгоритм определения типов импульсов, технологические рекомендации по контролю и стабилизации электрических, температурных параметров процесса и прогнозированию толщины, шероховатости и функциональных свойств получаемых покрытий.
Разработана технология получения жаростойких и износостойких покрытий на криволинейных поверхностях методами ЭИЛ и безабразивной ультразвуковой финишной обработки на станках с числовым программным управлением.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов (Третьи Самсоновские чтения)» (Хабаровск, 2006 г.); на 3rd International conference on «Manufacturing engineering. Kallithea of Chalkidiki» (Greece, 2008 г.); на всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока» (Комсомольск-на-Амуре, 2007 г.); на шестой международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (Брянск, 2008 г.); на IV международной научно-технической конференции «Современные инструментальные сис-теы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2008 г.); на I Международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (Курск, 2009 г.); на международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2009 г.); на международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.); на Joint China-Russia symposium on «advanced materials processing technology» (Harbin, 2008, 2010); на Russia-China Symposium «Modern materials and technologies» (Khabarovsk, 2007, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендуемых ВАК, получен один патент РФ на изобретение и один патент на полезную модель.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит 2 таблицы, 44 рисунка, список литературы из 109 наименований.
