Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Определение состава алгоритмической части гибких модулей плазменной обработки (ГМПО), реализующих концепцию "Открытой технологии 10
Назначение алгоритмического обеспечения в гибких модулях плазменной обработки
Структура гибких модулей плазменной обработки 11
Основные функции гибких модулей плазменной обработки 13
Управление знаниями - технология решения производственных задач 17
Гибкие модули плазменной обработки, реализующие концепцию "Открытой технологии" 22
Выводы по Главе 1: 28
ГЛАВА 2. Сравнительный анализ методов поверхностной закалки сталей 30
2.1. Газопламенная закалка 35
Особенности газопламенной закалки поверхности 35
Технико-экономические преимущества газопламенной закалки поверхности и область ее применения 37
Способы газопламенной закалки поверхности 38
2.2. Индукционная закалка , 40
Свойства поверхностно-закаленных деталей 40
Деформация детали при поверхностной индукционной закалке 42
Нагрев и охлаждение детали при поверхностной индукционной закалке , 43
2.3. Лазерная закалка 47
Анализ тепловых явлений при лазерном термоупрочнении 47
Тепловые источники при лазерном термоупрочнении 49
Анализ фазовых превращений при лазерном нагреве сталей 50
2.4. Плазменная закалка 57
Примеры применения плазменной закалки на кафедре теории и технологии сварки СПбГПУ 66
2.5. Сравнение методов поверхностной закалки сталей 71
Выводы по Главе 2: 73
ГЛАВА 3. Исследование энергетических характеристик сжатой дуги при плазменной поверхностной закалке 74
3.1. Инженерная методика определения локальных энергетических параметров сварочных источников тепла 74
3.2. Методика проведения работ с использованием статистических методов планирования и обработки многофакторных экспериментов 80
3.3. Исследование параметров плазменного воздействия методом плоскостного зондирования проточными калориметрическими зондами.... 94
Построение уравнения регрессии описывающего эффективную мощность 95
Построение уравнения регрессии описывающего эффективный радиус 98
Построение уравнения регрессии описывающего напряжение дуги..... 101 Исследование влияния диаметра сопла на эффективную мощность, эффективный радиус пятна нагрева и на напряжение дуги 104
Исследование влияния тока дуги на эффективный КПД сжатой дуги.. 106 Исследование влияния расхода плазмообразующего газа на эффективный КПД сжатой дуги 108
Выводы по Главе 3: 110
ГЛАВА 4. Моделирование, экспериментальная проверка и оптимизация плазменной поверхностной закалки 112
4.1. Решение тепловой задачи применительно к гибким модулям плазменной обработки 112
Расчет максимальных значений зоны закалки 115
Построение уравнения регрессии описывающего глубину закалки 116
Построение уравнения регрессии описывающего ширину закалки 120
Оценка необходимой точности поддержания параметров режима плазменной закалки 123
4.2. Экспериментальная проверка модели на примере плазменной поверхностной закалки стали 45 127
4.3. Оптимизация режимов плазменной поверхностной закалки 133
Выводы по Главе 4: 137
ГЛАВА 5. Программное обеспечение гмпо . 139
5.1. Выбор оптимальных плазменных технологий - программа Technology 139
5.2. Информационная система обеспечения плазменных технологий — программа InfoPlas
5.3. Проверка знаний основ плазменных технологий - программа Intellect 148
5.4. Расчет технологических параметров плазменной обработки программа Plasmet 150
Выводы по Главе 5: 165
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 166
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 168
- Назначение алгоритмического обеспечения в гибких модулях плазменной обработки
- Газопламенная закалка
- Инженерная методика определения локальных энергетических параметров сварочных источников тепла
Введение к работе
Актуальность проблемы
Современные тенденции создания автоматизированного и интеллектуального сварочного оборудования подразумевают создание алгоритмического сопровождения для выбора оптимальных технологических процессов и режимов обработки и для управления технологическими процессами в реальном времени.
Современное состояние плазменных сварочных технологий характеризуется высокой технологической гибкостью и универсальностью технологий и оборудования. С помощью универсальной плазменной установки можно реализовать до 4-5 плазменных технологий: сварку, наплавку, нанесение покрытий, упрочнение поверхности и др., однако эффективная эксплуатация такого оборудования требует проведения соответствующих технологических исследований, направленных на создание алгоритмов выбора оптимальных технологий и режимов обработки и управления технологическими процессами.
В последнее время на практике находит все большее применение процесс плазменной поверхностной закалки. Этот процесс является недостаточно изученным в силу своей гибкости (возможности варьирования практически всеми электрогазодинамическими параметрами).
Цель работы
Создание алгоритмического сопровождения технологии поверхностной закалки для гибких модулей плазменной обработки.
Основные задачи работы
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
Исследование и моделирование технологии плазменной поверхностной закалки;
Выбор методологии определения оптимальных технологических процессов и режимов плазменной обработки, разработка структуры и алгоритмов функционирования автоматизированной компьютерной системы плазменной обработки;
Разработка компьютерных программ диалоговой системы сопровождения интеллектуального плазменного оборудования.
Работа выполнялась в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете на кафедре теории и технологии сварки и включает в себя комплекс экспериментальных и теоретических исследований.
В работе применены методы математического моделирования тепловых процессов, детерминированных, статистических и эвристических методов решения технических проблем, использован аппарат теории дифференциальных уравнений, математические методы планирования экспериментов, современные методы оптимизации. Все расчеты и обработка данных велись с применением вычислительной техники и использованием методов прикладной математики.
Экспериментальные исследования проводились на отечественных технологических плазменных установках - УПС-301, УПНС-304 и др., а также используя экспериментальные стенды плазменной обработки кафедры теории и технологии сварки СПбГПУ.
Проводилась экспериментальная проверка используемых моделей, используя как стандартные, так и оригинальные методики исследований, в том числе — изучение локальных энергетических параметров сжатой дуги методом плоскостного зондирования, металлографические исследования зоны закалки и другие современные методы изучения материалов.
Научная новизна
В работе теоретически и экспериментально исследованы особенности и закономерности технологического процесса плазменной поверхностной закалки, и на основе их анализа, моделирования и развития технологии разработаны принципы, методы и алгоритмы оптимизации и автоматизации технологии, которые могут быть применены для гибких модулей плазменной обработки. Получен ряд новых научных результатов, среди которых наиболее важными можно назвать следующие.
1. Установлено, что характерные для плазменной закалки параметры режима по мере ослабления их влияния располагаются в следующем порядке: для эффективной мощности Q3 - ток сжатой дуги, диаметр плазмообразующего сопла, расход плазмообразующего газа и расстояние между соплом и изделием, для эффективного радиуса пятна нагрева R3 — расстояние между соплом и изделием, ток сжатой дуги и диаметр плазмообразующего сопла, для напряжения сжатой дуги U - диаметр плазмообразующего сопла, ток сжатой дуги, расстояние между соплом и изделием и расход плазмообразующего газа, для глубины и ширины зоны закалки —ток сжатой
7 дуги, расстояние между соплом и изделием, расход плазмообразующего газа. Полученные закономерности могут использоваться в алгоритмах выбора режимов закалки и управления процессом в реальном времени.
Разработанная методика пересчета опытных данных плоскостного зондирования сжатой дуги в функцию радиального распределения плотности теплового потока упрощает обработку экспериментальных данных, что облегчает автоматизацию этой обработки.
Полученные уравнения регрессии, связывающие глубину и ширину зоны закалки с параметрами режима, позволяют определить требования к оборудованию по необходимой точности поддержания параметров режима; так для поддержания глубины и ширины зоны закалки с точностью ±10% необходима точность поддержания параметров: тока сжатой дуги AI / I « ±1%, расстояния между соплом и изделием Д1си / 1си « ±1,4%, расхода плазмообразующего газа AGnr / Gnr « ±2,8%, скорости процесса закалки ±6%.
Возможные режимы плазменной закалки можно условно разделить на две области: жесткие режимы и мягкие режимы, при этом максимум глубины закалки располагается на границе между ними.
При заданном диаметре сопла и ограничении температуры на поверхности возможная глубина закалки имеет максимум, а ширина закаленной зоны при тех же параметрах режима имеет локальный максимум, при увеличении тока дуги и скорости наблюдается рост ширины, а наибольшая скорость охлаждения находится в области жестких режимов и минимума погонной энергии.
В области жестких режимов, при увеличении тока до критического для данного диаметра сопла наблюдается рост ширины при очень малом изменении глубины закалки с соответствующим изменением скорости, обеспечивающей отсутствие оплавления поверхности и скорости охлаждения не ниже критической.
Практическая значимость работы
В результате проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработаны методы, алгоритмы и программы расчета, оптимизации и регулирования технологических параметров поверхностной
8 закалки для гибких модулей плазменной обработки с применением современной компьютерной техники.
Материалы данной работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, при подготовке студентов сварочных специальностей и в системе НАКС при аттестации специалистов сварочного производства.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались, начиная с 1996 года, на межвузовских, и международных научных конференциях и семинарах (сделан 21 доклад):
Научно-техническая конференция "Неделя науки СПбГТУ", 1996, 1998-2001.
Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов. "Политехнический симпозиум: Молодые ученые - промышленности и хозяйству Северо-Западного региона", 1999, 2000, 2002.
Итоговый семинар по физике и астрономии по результатам конкурса грантов 1999 г. для молодых ученых Санкт-Петербурга. Санкт-Петербургский физико-технический институте им. Иоффе, 2000.
Научно-техническая конференция "Конструктивно-технологическое проектирование и производство сварных конструкций", 2000.
Всероссийская практическая конференция "Технолог по сварочному производству промышленных предприятий, объектов энергетики и строительства", 2000,2001.
Международная практическая конференция-выставка "Технологии ремонта, восстановления и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций", 2000, 2001.
Международный семинар "Инструмент и технологическая оснастка: методы повышения эффективности", 2002.
Ежегодная научно-техническая конференция сварщиков "Сварочные чтения. Теория и практика", 2003.
По теме диссертации автор:
1. удостоен стипендии Президента Российской Федерации среди аспирантов 2002-2003 г.;
удостоен 6-й персональных грантов мэрии Санкт-Петербурга и Министерства образования РФ за 1998 — 2003 г.;
удостоен гранта среди молодых преподавателей, ученых и аспирантов факультета технологии и исследования материалов Санкт-Петербургского государственного технического университета 2001 г.;
дважды становился победителем Всероссийского конкурса на лучшую студенческую работу студентов России 1999 и 2000 годов по направлению — технические науки;
награжден 5-ю дипломами Государственного комитета РФ по высшему образованию, комитетом РФ по металлургии, ассоциацией металлургических Вузов, московского института стали и сплавов и Санкт-Петербургского государственного технического университета за научные достижения.
По теме диссертации опубликовано 26 работ. Диссертация содержит 174 страницы, включая текст, 89 рисунков и 18 таблиц.
Назначение алгоритмического обеспечения в гибких модулях плазменной обработки
Среди технологий, использующих высококонцентрированные источники энергии, плазменно-дуговые процессы отличаются высокой эффективностью и высоким коэффициентом полезного действия, потенциально большой универсальностью и гибкостью, маневренностью, экономичностью и экологической чистотой. Всё это определяет значительную перспективность создания и широкого использования в различных отраслях интеллектуального технологического оборудования нового поколения — гибких модулей плазменной обработки (ГМПО) [1-6] - сварки, нанесения покрытий, поверхностного упрочнения. Свободный выбор и оптимизация различных плазменных технологий непосредственно у потребителя на базе универсального оборудования и соответствующего алгоритмического обеспечения может дать большой экономический эффект, особенно - в условиях мелкосерийного, опытного, инструментально-технологического производства, исследовательских центров и малых предприятий.
НАЗНАЧЕНИЕ АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В ГИБКИХ МОДУЛЯХ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
1. Обучение и проверка знаний технолога-пользователя.
2. Выбор оптимальной плазменной технологии.
3. Расчет режима обработки.
4. При необходимости - программирование режимов (жесткое регулирование, без обратных связей).
5. Адаптивное управление с выбором оптимальных входных параметров для обеспечения оптимального или назначаемого сочетания значений выходных параметров (критериев качества).
При разработке алгоритмического обеспечения (АО) гибких модулей плазменной обработки (ГМПО), возможно использование методов планирования одно- и много факторных экспериментов. При этом возможно получение соответствующих уравнений регрессии не только по результатам экспериментальных исследований, но также и по результатам вычислительных экспериментов. Сведение результатов таких вычислительных экспериментов к простым (часто - линейным) уравнениям, связывающим параметры оптимизации (температуру, размеры зон термического воздействия плазменной струи и т.п.) и параметры режима плазменной обработки, дают возможность использовать полученные знания в микропроцессорной аппаратуре, упростить и ускорить оптимизацию технологических процессов в гибких модулях плазменной обработки [1-6].
Создание комплекса АО позволит находить как оптимальные технологии и режимы обработки, так и зависимости (алгоритмы) описывающие закономерности процессов.
Газопламенная закалка
Газопламенная поверхностная закалка (ГПЗ) применяется для увеличения твердости и износоустойчивости поверхностей стальных и чугунных изделий, что повышает их общую прочность и долговечность [19, 20,21].
При ГПЗ всю поверхность изделия или ее участок нагревают пламенем горючего газа в смеси с кислородом до закалочной температуры, а затем быстро охлаждают. Обработке подвергают главным образом углеродистые стали с содержанием углерода в пределах 0,35-0,7%. Основой таких сталей является железо, которое при нормальной температуре находится в виде феррита, а при нагреве выше критической температуры превращается в другую разновидность железа - аустенит. Особенности газопламенной закалки поверхности
В процессе нагрева и охлаждения при ГПЗ совершаются такие же структурные изменения, как и при обычной закалке (объемной). Различие состоит в том, что превращения происходят в сравнительно тонком поверхностном слое изделия, в более короткое время и при более высокой температуре [19].
Как правило, ГПЗ деталей проводят, пользуясь мощными источниками тепла: ацетилено-кислородным пламенем, пропано-кислородным и др. Нагрев мощным пламенем приводит к тому, что в единицу времени к поверхности изделия подводится значительно больше тепла, чем отводится в глубь изделия благодаря теплопроводности. В результате поверхностный слой изделия достигает закалочной температуры быстрее, чем прогреется его сердцевина.
Если для ГПЗ использовать маломощное пламя, то в единицу времени к поверхности будет подводиться меньшее количество тепла, оно будет распространяться по всему объему изделия, и нагрев поверхностного слоя до закалочной температуры будет более длительным [19].
Сравнение результатов закалки с использованием источников разной мощности показывает, что при более мощном источнике одинаковые глубина и качество закаленного слоя достигаются с меньшей затратой тепловой энергии и времени [19].
Поскольку нагрев при ГПЗ осуществляется внешним источником тепла и происходит с большой скоростью, то к моменту окончания нагрева температура в поперечном сечении нагретого слоя постепенно убывает от поверхности к сердцевине. При правильном режиме нагрева температура поверхности может на 100-150 превышать температуру верхней критической точки без заметного роста зерен аустенита. На некотором расстоянии от поверхности будет слой, нагретый до температур, находящихся в интервале между Асз и Ас і где феррит еще не успел превратиться в аустенит.
В результате охлаждения в поверхностном слое изделия, где достигалась критическая скорость, образуется мартенсит, а глубже располагается зона неполной закалки с участками феррита, постепенно переходящая в зону с исходной феррито-перлитной структурой (Рис, 13) [19].
При нормальном нагреве, но недостаточной длительности охлаждения, в поверхностном слое при исследовании под микроскопом обнаруживаются отпускные структуры - троостит и сорбит отпуска.
Инженерная методика определения локальных энергетических параметров сварочных источников тепла
К локальным энергетическим параметрам сварочных источников тепла -электрической дуги, потока плазмы, электронного и лазерного луча — относятся, прежде всего, концентрация ввода тепла, а также - распределение по пятну нагрева теплового потока и плотности тока.
Определение этих характеристик возможно различными методами. Это может быть: фотографирование и спектрографирование сварочного источника тепла, анализ электроэрозионных отпечатков на электродах, индукционный метод для оценки плотности переменного тока в дуге, предложенный И.Д.Кулагиным и А.В.Николаевым метод измерения градиента потенциала электрического поля в тонкой пластине-электроде [42]. Для определения плотности тока в пятне нагрева дуги можно использовать, так называемый, точечный зонд, встроенный в имитатор изделия и электрически изолированный от него [43]. В работе [46] использовались плоскостные зонды из вольфрама, служащие анодом дуги; при этом был рассчитан диаметр активного пятна дуги и средняя плотность тока по пятну. Полученную при плоскостном зондировании кривую изменения тока можно использовать для расчета радиального распределения плотности тока j(r) [43, 47]. Если плоскостные зонды выполнить в виде проточных водяных калориметров, то это позволяет определять плотность теплового потока по радиусу пятна нагрева сварочного источника тепла q(r). Этот метод основан на измерении разности температур АТВ потока воды на выходе и на входе в калориметр, нагреваемый дугой:
где GB — массовый расход воды; Св - средняя удельная теплоемкость воды в интервале температур, определяемом ДТВ.
Расчеты и опыты показывают, что проточные медные калориметры обычно могут нормально работать в стационарном режиме при плотностях теплового потока до 50-55 Вт/мм2.
К преимуществам метода плоскостного зондирования проточными калориметрическими зондами, которые служат одним из электродов сжатой дуги относится:
? измерение теплового потока непосредственно в активном пятне дуги;
? создание условий, наиболее полно соответствующих процессам реальной теплопередачи от дуги к поверхности изделия (в отличие, например, от линейного калориметра, измеряющего тепловой поток практически в столбе дуги на некотором расстоянии от поверхности изделия);
? наименьшее искажение истинной картины распределения теплового потока q(r), т.к. геометрические размеры диэлектрического зазора между плоскостными зондами могут быть выполнены существенно меньшими, чем размеры линейного или точечного зонда.
Термоэлектрический изолятор между водоохлаждаемыми зондами (слюда, керамика) обеспечивает зазор шириной порядка 0,2 мм. ЭДС с хромель-копелевых термопар, включенных по дифференциальной схеме, и напряжение со стандартного шунта подается на вход электронных потенциометров.
Полученные из опыта данные, характеризующие рост эффективной тепловой мощности, обозначим через функцию Q(x) (см. Рис. 34).
К сожалению, метод плоскостного зондирования требует сравнительно сложной обработки опытных данных, приводящей к увеличению погрешности результатов. Усовершенствованная методика [34] пересчета Q(x) в q(r) позволяет получить результаты при любой наперед неизвестной функции радиального распределения q(r) (см. Рис. 34).
