Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди технологий, использующих зысококонцентрированные источники энергии, плазмегаю-дуговые процессы шшчаются эффективностью и высоким коэффициентом полезного действия, тотенциально большой универсальностью и гибкостью, маневренностью, экономичностью и экологической чистотой. Всё это определяет лерспективность создания и широкого нспользоваїгая в различных отраслях гового интеллектуального технологического оборудования - пібких модулей злазмештой обработки - сварки, нанесеїгая покрытий, поверхностного іШрочнения. Свободный выбор и оптимизация различных плазмешшх технологий непосредственно у потребителя на базе универсального эборудования и соответствующего алгоритмического обеспечения может дать эолыпой экономический эффект, особенно - в условиях мелкосерийного, шытного, инструментального производства, предприятий обслуживания и земонта, исследовательских центров и малых фирм.
Комплексные исследования сжатой дуги и различных процессов шазменной обработки применительно к задачам создания оборудования нового гоколения - гибких технологических модулей плазменной обработки (ГТМПО) - до настоящего времени не проводились.
Создание универсальной плазменной технологии и соответствующей шпаратуры закладывает фундаментальную базу для становления гибких :аморазвивающихся технологических систем плазменной обработки и является приоритетной и важной народно-хозяйственной задачей. Это требует эазработки концепции и научных основ создания и функционирования гибких шазменных модулей, изучения свойств и закономерностей процессов шазменной обработки, их моделирования, оптимизации, автоматизации и ;амоорганизации, анализа и обобщения информационно-технологической базы.
Работа соответствует Приоритетным направлениям развития науки и :ехники и перечню критических технологий федерального уровня по Установлению Правительства Российской Федерации № 360 от 17.04.95. "О осударственной поддержке развития науки и научно-технических разработок" і Указу Президента Российской Федерации № 884 от 13.06.96. "О доктрине >азвития российской науки" - раздел "Производственные технологии: шектронно-ионно-плазменные технологии; гибкие производственные системы; інтеллектуальньїе системы автоматизированного проектирования и ^правления", а также - перечню технологий двойного назначения федерального
фОВНЯ.
Роль даіпюй работы в реализации приоритетных направлений развития и і структурной перестройке хозяйства России заключается в следующем:
выход на мировой уровень наукоемких технологий;
отказ от дорогостоящего и часто не эффективно используемого импортного оборудования, технологий и материалов;
конверсия оборонных предприятий;
возможности экспортных поставок продукции и услуг;
способствование развитию малого предпринимательства;
ресурсо- и энергосбережение, экономичность технологий, снижение себестоимости производства;
общее повышение эффективности и культуры производства.
Работа выполнена в соответствии с:
а) Постановлениями: ГКНТ СССР № 431 от 11.05.90. и Миннауки Россик
№ 1169ф от 29.05.92. по Государственной научно-технической программе
"Технологии, машины и производства будущего", в которой Санкт-
Петербургский государственный технический университет является головньго
исполнителем проекта 0.06.01.0117Т "Создание компьютеризированные
технологических модулей плазменной сварки, наплавки, напыления, панесенш
финишных упрочняющих пленочных покрытий и поверхностно!
термообработки для интегрированных гибких производственных систем
обеспечивающих на основе новейших плазменных технологий и ю
оптимизации коренное улучшение культуры труда и качества продукции".
б) Межвузовской научно-технической Программой "Сварочньк
процессы" - раздел "Моделирование, разработка технологии и контролі
сварочных процессов и оборудования":
тема 4.2.1. "Создать физико-математические модели различных npoueccoj при сварке и на их основе создать программно-информационної обеспечение сквозной системы проектирования технологии и программно аппаратное обеспечение технологических модулей с компьютерный управлением" - 1992-1994 г.;
тема 1.4.6. "Исследование и разработка перспективных технології]' плазменной сварки, наплавки и поверхностного упрочнения" - 1995-1997г.
Цель работы. На базе комплексных исследований сжатой дуги і сварочных плазменных процессов разработка научных основ технологическогс алгоритмического и аппаратного обеспечения, принципов построения і функционирования нового поколения интеллектуального технологическое оборудования - гибких модулей плазменной обработки для сварки, нанесенії покрытий и упрочнения.
Основные задачи работы:
изучение и определение энергетических, технологических информационных характеристик сжатой дуги, особенностей закономерностей процессов плазменных сварочных технологий и и развитие применительно к условиям гибких производственных систем;
разработка и обоснование принципов, методов, моделей и алгоритме оптимизации сварочных плазменных процессов, обеспечения и самоорганизции и устойчивости;
разработка основ технологического и алгоритмического обеспеченя автоматизированных систем исследования, ироектировани
технологической подготовки производства и управления в гибких
модулях плазметюй обработки; определение технологических требований к оборудованию и поэтапное
создание основных элементов гибких модулей плазменной обработки,
ориентированных на широкое внедрение плазменных технологий, их
развитие и создание новых технологических процессов.
Методы исследований. Работа выполнялась в Санкт-Петербургском государственном техническом университете и включает в себя комплекс экспериментальных и теоретических исследований.
В работе использованы как стандартные, так и оригинальные методики экспериментальных исследований сварочных процессов плазменной обработки, в том числе - точечное и плоскостное зондирование сжатой дуги и плазменных потоков, изучение термических циклов, осциллографирование процессов, металлографические исследования зоны обработки, механические испытания, электрошюмикроскопический, микрорентгеноспектралышй и другие современные методы изучения материалов.
При моделировании процессов использован аппарат теории дифференциальных уравнений и теории подобия, численные методы, математические методы планирования экспериментов, методы корреляционного и регрессионного анализа, теории вероятности и математической статистики, 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 - опытных и серийных, созданных под руководством автора.
Научная новизна. В работе теоретически и экспериментально исследованы свойства и характеристики сжатой дуги, особенности и закономерности технологических процессов плазменной сварки, наплавки и упрочнения, и на основе их анализа, моделирования и развития разработаны принципы, методы и алгоритмы оптимизации, автоматизации и самоорганизации технологий, необходимые для создания и функционирования гибких модулей плазменной обработки. Получен ряд новых научных результатов, среди которых наиболее важными можно назвать следующие.
-
Создана комплексная модель сварочных процессов для гибких модулей плазменной обработки (на базе аналитического, критериального и регрессионного описания), учитывающая совокупность энергетических, технологических и информащюшшх параметров, свойства материалов и подобие процессов. Установлено, что данная модель позволяет обеспечить саморегулирование и требуемое качество процесса.
-
Впервые для сварочных технологий сформирован и обоснован принцип минимизации погоішого производства энтропии плазменных технологических процессов как открытых термодинамических систем. Установлено, что использование данного принципа определяет: устойчивость
процесса, требования к оборудованию, новые направления создания систєі' автоматического поиска оптимальных режимов обработки.
-
На основе анализа и экспериментальной проверки разработанное критериальной модели плазменной сварки показано, что термический к.п.д является определяющим критерием технологического подобия сварочны> процессов и позволяет существенно упорядочить и упростить выбор параметров: шва, режимов и оборудования.
-
Выявлен эффект саморегулирования процесса плазменной сварки у обоснованы условия его проявления, подтвержденные экспериментами.
-
Уточнен механизм и определены количественные характеристик* взаимодействия сжатой дуги с материалом в технологиях плазменное обработки, необходимые для эффективного регулирования и развитш плазменных процессов.
-
Расчетом установлен и экспериментально подтвержден эффекп обратного воздействия сварочной ванны на сжатую дугу при смещении с осі-стыка, который проявляется при сканировании сжатой дуги поперек кратера Установлено, что информационные сигналы с обратных плазменных факелов исходящих из ванны, адекватно отражают процесс формирования ванны и швг и могут быть использованы для автоматизации плазменной сварки.
-
В результате изучения особенностей и закономерностей процессої плазменной наплавки и поверхностного упрочнения определены рациональные области их применения!' Установлена достаточная адекватность аналитическое модели и разработанных алгоритмов, использованных в диалоговое компьютерной системе данных технологий.
-
Разработаны основы и определены закономерности новой технологи* - финишного плазменного упрочнения, - созданной в развитие технологие поверхностного упрочнения для реализации функций ГТМПО. Установлено что для формирования тонкопленочного рентгеноаморфного покрытия состав; SiC-Si02 непосредственно на упрочняемой поверхности нсобходимс уменьшение концентрации реагентов в плазме и повышение температурь плазмешюй струи в реакционной зоне выше 3000К. Изучены свойств; покрытия, разработаны алгоритмы расчета режимов и метод автоматического контроля процесса. Показано, что основной вклад в микротвердості обработанной поверхности (до 23 ГПа) и в комплексное изменение ее свойсті (повышающих работоспособность в 2-6 раз) вносит покрытие.
9) На основе разработанных положений, принципов, моделей и новы?
технологических и технических решений сформирована концепция «открытое
технологии» ГТМПО, ориентированная на объединение и развитш
интеллектуальных ресурсов технолога-пользователя и алгоритмической
сопровождения системы, с целью повышения эффективности работ и качеств;
продукции.
Практическая значимость работы. В результате проведения комплекс; теоретических, экспериментальных и прикладных исследований разработань технологические требования к структуре, параметрам и компоновке гибки?
технологических модулей плазменной обработки (ГТМПО) и решена важная народно-хозяйственная задача - созданы базовые технологические элементы ГТМПО и освоено промышленностью (с выпуском - сотни комплектов в год) унифицированное плазменное оборудование, не имеющее мировых аналогов, для широкого внедрения гибких плазменных технологий со сроком окупаемости затрат потребителя менее 1 года.
Разработаны инженерные методы, алгоритмы и программы расчёта, оптимизации и регулирования гибких плазменных технологий с применением современной компьютерной техники.
Разработаны и применяются новые технологические процессы плазменной сварки, нанесения порошковых покрытий, поверхностной закалки и финишного плазменного упрочнения с формированием тонкоплёночного защитного покрытия, дающие значительный экономический эффект.
Материалы данной работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного технического университета; на их основе созданы и ведутся соответствующие курсы для студентов, аспирантов и инженеров, изданы учебные и учебно-методические пособия (см. список публикаций п.п. 79-83), в том числе - для программируемого обучения.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы и её разделов докладывались и обсуждались, начиная с 1972 года, на Международных, Всесоюзных и Республиканских конференциях и семинарах в Москве, Саша-Петербурге, Варне (Болгария), Киеве, Вилыпосе, Тбилиси, Ташкенте, Казани, Саратове, Перми, Оренбурге и др., на научных и научно-методических семинарах СПбГТУ, Института Сварки России (ВНИИЭСО), завода (АО) "Электрик" и других организаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 100 работ, включая 16 авторских свидетельств и патентов на изобретения и работы, изданные в США, Германии, Болгарии, Венгрии. Список основных публикаций (1.. .83) приведен в конце автореферата (в хронологическом порядке).
Объем работы. Диссертация содержит 481 страницу, включая текст, 212 рисунков, 42 таблицы, а также- приложения. Основная часть состоит из введения, 8 глав, общих выводов, списка использованных источников из 259 наименований.