Повышение эффективности электроэрозионной обработки и качества обработанной поверхности на основе подходов искусственного интеллекта

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Повышение эффективности электроэрозионной обработки и качества обработанной поверхности на основе подходов искусственного интеллекта

Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

На правах рукописи

Сарилов Михаил Юрьевич

Комсомольск-на-Амуре - 2008

Работа выполнена в государственном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ГОУВПО «КНАГТУ»).

Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РФ, академик РИА, доктор технических наук, профессор КАБАЛДИН Юрий Георгиевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор УШОМИРСКАЯ Людмила Алексеевна (СПбГПУ, г. Санкт-Петербург);

доктор технических наук, профессор ЛИТОВКА Геннадий Васильевич (АГУ, г. Благовещенск);

доктор технических наук, профессор ДАВЫДОВ Владимир Михайлович (ТОГУ, г. Хабаровск).

Ведущая организация: Учреждение Российской Академии Наук «Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН» г. Комсомольск-на-Амуре (УРАН «ИМиМ ДВО РАН»).

Защита состоится 04 июля 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в ГОУВПО «КнАГТУ» по адресу 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ГОУВПО «КнАГТУ», ауд. 201-3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «КнАГТУ».

Автореферат разослан « » 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного Пронин А.И. совета, к.т.н., доцент.

Актуальность темы. Интенсивное использование электроэрозионной обработки (ЭЭО) в настоящее время обусловлено современными тенденциями развития, характерными для отечественного машиностроения. Перед машиностроением остро стоит задача интенсификации производственных процессов изготовления продукции, при этом выпускаемая продукция должна удовлетворять самым высоким требованиям качества. Высокая гибкость и технологичность методов ЭЭО позволяет успешно решить эти задачи.

ЭЭО в реальных условиях представляет собой существенно нелинейный стохастический процесс, достаточно полная математическая модель которого отсутствует. Поэтому для выбора оптимальных режимов ЭЭО, обеспечивающих максимальную производительность и качество обработанных поверхностей при изменении площади, глубины и геометрии рабочей зоны, расхода рабочей жидкости и т.п. требуются обширные теоретические и экспериментальные исследования. Известно, что физико-химические процессы, протекающие при электроэрозионной обработке, очень сложны и главное очень скоротечны, в результате большинство из них могут быть описаны только качественно. Неустойчивость процесса ЭЭО снижает ее основные показатели (производительность обработки, шероховатость поверхности) и вызывает повышенный расход электрода-инструмента.

Широкое использование средств вычислительной техники в современном электроэрозионном оборудовании (станков с ЧПУ) позволяет управлять выходными параметрами процесса ЭЭО на основе фундаментальных подходов к устойчивости сложных систем. К числу фундаментальных подходов к исследованию устойчивости сложных систем следует отнести теорию синергетики (самоорганизации). Одним из важнейших направлений теории синергетики является нелинейная динамика. Важным достоинством нелинейной динамики является то, что она позволяет проводить количественную оценку устойчивости сложных систем в режиме реальном времени, их организованность в фазовом пространстве. Другим новым направлением в теории синергетики являются искусственные нейронные сети, которые в настоящее время составляют основу подходов искусственного интеллекта. Нейронные сети дают возможность не только определять оптимальные условия обработки, но и моделировать процесс ЭЭО при минимальном расходе материальных и временных затрат. В связи с этим, исследования взаимосвязи устойчивости процесса ЭЭО с выходными характеристиками процесса, прогнозирование и управление ими на основе нелинейной динамики и нейронносетевого моделирования является актуальной проблемой современного машиностроения.

Цель и задачи работы - повышение эффективности размерной электроэрозионной обработки, путем обеспечения устойчивости рабочих процессов и качества обрабатываемой поверхности на основе подходов искусственного интеллекта.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

- исследовать механизм электрической эрозии и определить его основные характеристики, влияющие на эффективность ЭЭО, разработать пути и методику оптимизации режима объемного электроэрозионного формообразования;

- экспериментально исследовать устойчивость процесса ЭЭО, выявить параметры, определяющие устойчивость этого процесса, предложить и апробировать критерии оценки устойчивости процесса ЭЭО;

- разработать методы повышения эффективности ЭЭО, обеспечивающие целенаправленное формирование обработанной поверхности с заданными механическими свойствами;

- на основе подходов искусственного интеллекта разработать нейронносетевую модель процесса ЭЭО для систем адаптивного управления процессом ЭЭО, описывающую потерю устойчивости и возникновение режима хаотического состояния системы;

- на основе предложенных критериев устойчивости процесса ЭЭО разработать систему адаптивного управления технологическими параметрами обработки.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы методы технологии машиностроения, фундаментальные положения физики твердого тела, электрохимии, гидродинамики, теории надежности, теории управления, теории искусственного интеллекта, теории самоорганизации, теории нелинейной динамики, теории искусственных нейронных сетей, а также промышленный опыт применения ЭЭО.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлены закономерности параметров единичного электроэрозионного разрушения с производительностью и качеством обработки при ЭЭО. Показано, что распределение диаметров единичных лунок происходит по закону равной вероятности, вследствие чего при ЭЭО имеет место систематическая погрешность, связанная с самим процессом (непостоянство сопротивления по площади электрода). Анализ экспериментальных данных по коэффициенту сосредоточения показал, что он подчиняется закону нормального распределения, что свидетельствует о том, что сам процесс образования единичных лунок реализуется без доминирующей погрешности;

- предложены подходы к оптимизации режимов объемного электроэрозионного формообразования отверстий в заготовках из различных материалов на основе экономических показателей ЭЭО. Установлено, что производительность и качество обработанной поверхности при ЭЭО в значительной степени определяется устойчивостью ЭЭО. В этой связи предложены и экспериментально подтверждены критерии оценки устойчивости процесса ЭЭО, определяющие его производительность и качество поверхности - фрактальная размерность, информационная энтропия и показатели Ляпунова сигналов акустической эмиссии (АЭ), регистрируемой в процессе обработки. Степень потери устойчивости процесса ЭЭО определяется свойствами обрабатываемого материала и режимом обработки;

- установлена корреляционная связь между фрактальной размерностью шероховатости поверхности обработанной электроэрозионным методом и фрактальной размерностью структуры этой же поверхности, а также между фрактальной размерностью сигнала АЭ как при регистрации сигнала с электрода-инструмента и электрода-заготовки. Показано, что фрактальная размерность шероховатости поверхности существенно зависит от свойств обрабатываемого материала. С увеличением шероховатости возрастает и значение фрактальной размерности, т.е. возрастает степень хаотичности процесса ЭЭО вне зависимости от марки обрабатываемого материала. Поэтому фрактальная размерность может являться также диагностирующим параметром динамики процесса ЭЭО;

- показано что, характер зависимостей шероховатости Ra поверхностей обработанных электроэрозионным методом и фрактальной размерности шероховатости D0 от параметров обработки самоподобны, т.е. между ними также существует корреляция, причем для всех исследуемых материалов. В этой связи, фрактальную размерность можно использовать в качестве диагностирующего признака при оценке шероховатости поверхностного слоя при ЭЭО;

- на основе предложенных критериев устойчивости ЭЭО и, в частности, фрактальной размерности, путем анализа ее в режиме реального времени, разработана система адаптивного управления технологическими параметрами процесса ЭЭО. Показано, что адаптивная система управления процесса ЭЭО способствует повышению качества обработанной поверхности, а также уменьшения износа электрода-инструмента, и увеличения производительности и основана на определении оптимальных режимов работы оборудования, обеспечивающих повышение эффективности ЭЭО.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и достоверность результатов исследований подтверждается: использованием хорошо известных в технологии машиностроения методов и методик планирования и проведения теоретических и экспериментальных исследований, применением современных методик физических измерений, сертифицированной измерительной аппаратуры, качественных средств анализа экспериментальных данных, современной вычислительной техники и программных средств для автоматизации эксперимента, согласованность теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями; успешной реализацией разработанных рекомендаций и программных средств на машиностроительных предприятиях города и края, в частности на ОАО КнААПО им. Ю.А. Гагарина, Амурском судостроительном заводе, Комсомольском-на-Амуре ТЭЦ-2, ФГУП ПО «Вымпел» г. Амурск, а также в учебном процессе Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработаны методики и алгоритмы, позволяющие определить оптимальные режимы обработки, обеспечивающие формирование обработанной поверхности с заданными механическими свойствами.

- разработан комплекс программ, для расчета оптимальных режимов ЭЭО для различных материалов, позволяющий по заданным значениям шероховатости, свойств обработанной поверхности, площади и глубины обработки, определить оптимальные параметры режима обработки.

- разработан алгоритм и программа его реализации, позволяющая моделировать динамику процесса электроэрозионной обработки методом реконструкции аттракторов по виброакустическим сигналам и профилограммам шероховатости обработанной поверхности с целью выявления корреляции между характером динамики процесса и качеством получаемой поверхности.

- предложенные рекомендации по оптимизации режимов обработки, расчета технологических параметров обработки и профилирующей части электрода-инструмента и управления процессом внедрены на ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение им. Ю.А. Гагарина», на ряде других предприятий города и края.

Реализация работы. Результаты научно-исследовательской работы «Исследование и отработка ТП изготовления электродов для ЭЭ перфорирования панели защитного устройства с использованием метода ЭЭ вырезки» внедрены на ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение им. Ю.А. Гагарина», в рамках выполнения хоздоговора. Результаты научно-исследовательской работы «Исследование влияния режимов ЭЭО на качество поверхностного слоя» внедрены на ФГУП производственном объединении «Вымпел» г. Амурск, общий экономический эффект составил 54500 рублей в ценах 2004 г. Результаты исследования влияния ЭЭО на качество поверхностного слоя внедрены на КТЭЦ-2 г. Комсомольск-на-Амуре, в результате внедрения достигли уменьшения износа электрода-инструмента в 1,43 раза и увеличение производительности труда в 1,78 раза по сравнению со стандартной производственной программой. Результаты научно-технической продукции по теме «Повышение эффективности и надежности процесса размерной ЭЭО в условиях автоматизированного производства на основе теории самоорганизации процессов» внедрены на ОАО «Амурский судостроительный завод» г. Комсомольск-на-Амуре, в результате внедрения достигается значительное сокращение времени на технологическую подготовку производства при разработке технологий с использованием ЭЭО.

Разработан, апробирован и внедрен пакет программ «Оптимизация технологических режимов электроэрозионного объемного копирования заготовок из стали «Расчет режимов ЭЭОК»», «Оптимизация режимов ЭЭО «Techno EDM»» на ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение», на ряде других предприятий.

Результаты научных разработок используются в учебном процессе на кафедрах «МТНМ», «ТМ», «БЖД» ГОУ ВПО «КнАГТУ», при изучении дисциплин «Прогрессивные методы обработки», «Повышение надежности процессов механообработки в автоматизированном производстве», «Системы управления технологическим оборудованием», «Управление процессами и объектами в машиностроении».

Личный вклад автора. Теоретические и экспериментальные исследования, обобщенные в представленной работе, выполнены автором как самостоятельно, так и в соавторстве со своими учениками. При этом автору принадлежит: постановка проблемы в целом и постановка задач аналитических и экспериментальных исследований; научное руководство и непосредственное участие в экспериментах, весь комплекс экспериментов и теоретических данных, включая обработку результатов и их интерпретацию; написание большинства статей и выводов по ним, тезисов докладов, отчетов и описаний, а также разработка и верификация алгоритмов, используемых в зарегистрированных программных продуктах. Сформулирована функция цели при решении задачи оптимизации режимов ЭЭО и их апробации, а также их внедрении. При личном и непосредственном участии автора разработаны рекомендации и методики по разработке технологии и управления электроэрозионной обработкой.

Эксперименты проводились совместно с аспирантами, соискателями и магистрами Бобошко А.И., Плешаковым.Ю., Соболевым.Б., Захаровым Е.К., Бреевым С.В., Покотило М.А. научным руководителем которых являлся автор. Совместными являются научно-исследовательские результаты, связанные с выполнением бюджетных и договорных НИР, проводимых на ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение им. Ю.А. Гагарина» и на ряде других предприятий, где автор также являлся научным руководителем.

На защиту выносятся:

- приведенные результаты теоретических и экспериментальных исследований ЭЭО, как в производственных, так и в лабораторных условиях, с использованием различных материалов электрода-инструмента и электрода-заготовки, методические рекомендации по выбору параметров ЭЭО для сохранения производительности и качества обработки в соответствии с заданными условиями. Установленные основные закономерности между входными и выходными параметрами ЭЭО на заданных режимах обработки;

- разработанные методики расчета оптимальных режимов объемного электроэрозионного формообразования отверстий в заготовках на различных обрабатываемых материалах деталей летательных аппаратов, основанные на эффективности процесса ЭЭО;

- положение о том, что производительность и качество обработки при ЭЭО в значительной степени определяется устойчивостью самого процесса обработки, предложенные новые критерии оценки устойчивости процесса ЭЭО, определяющие его производительность и качество поверхности;

- исследованные и экспериментально подтвержденные критерии оценки устойчивости процесса ЭЭО, определяющие его производительность и качество поверхности - фрактальная размерность, информационная энтропия и показатели Ляпунова сигналов АЭ, регистрируемые в процессе обработки;

- установленная корреляция между фрактальной размерностью сигнала АЭ, регистрируемого в процессе обработки, как с электрода-инструмента, так и с электрода-заготовки, и фрактальной размерностью шероховатости обработанной поверхности;

- методика оценки устойчивости и выходных параметров процесса ЭЭО, на основе критериев устойчивости процесса ЭЭО по сигналам акустической эмиссии, регистрируемых в процессе обработки;

- интеллектуальный подход, позволяющий корректировать работу генератора электроэрозионного станка с ЧПУ, обеспечивающего устойчивость процесса обработки;

Апробация диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, республиканских и межрегиональных научно-технических конференциях, форумах и семинарах: международной научно-технической конференции «Современные материалы и технологии» (г.Пенза, 2001г.), международной научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки» (г.Москва, 2002г.), международной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» (г.Комсомольск-на-Амуре, 2003г.), дальневосточном инновационном форуме «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г.Хабаровск, 2003г.), международной научно-практической конференции «Электрофизические и электрохимические методы обработки» (г.Санкт-Петербург, 2003г.), всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и пути решения инвестиционной и инновационной политики на предприятиях Хабаровского края» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2004г.), региональной научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности центра России. СЭТ-2006» (г.Тула, 2006г.), международной конференции «Авиация и космонавтика - 2006» (г.Москва, 2006г.), II международной научно-технической конференции «Автоматизация машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (г.Вологда, 2006г.), V всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (г.Пенза, 2007г.), международной научно-технической конференции «Современная электротехнология в машиностроении» (г.Тула, 2007г.), III международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (г.Пенза, 2007г.), IX международной научно-практической конференции «Новые химические технологии. Производство и применение» (г.Пенза,2007г.), IV международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (г.Саранск, 2007г.) Основные результаты работы докладывались также на расширенных заседаниях кафедры «Технология машиностроения» КнАГТУ (1999 - 2007гг.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 85 публикациях, в том числе статьях в центральных журналах, одной монографии, авторских свидетельствах, учебных пособиях и методических указаниях, трудах университетов и институтов, форумах, семинаров и конференций. Результаты работы докладывались на 10-ти международных форумах, научно-практических и научно-технических конференциях, а также всероссийских, региональных, краевых и вузовских семинарах и конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, заключения, библиографического списка использованной литературы из 255 наименований и приложений, содержащих документы о внедрении результатов работ и программные продукты. Объем диссертации составляет 326 страниц (включая 44 страницы приложений), 48 рисунков, 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследовании, определены новизна и практическая значимость работы, выделены научные положении и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопросов эффективности применения ЭЭО, существующие проблемы данной обработки в области обеспечения точности, качества, структуры поверхностного слоя и износа электрода-инструмента. Рассмотрены современные взгляды на механизмы возникновения неустойчивости процесса ЭЭО. Определена степень влияния неустойчивости процесса на параметры ее эффективности, такие как производительность и качество обработанной поверхности. Выполнен обзор существующих методов обеспечения эффективности ЭЭО и проанализированы факторы, сдерживающие дальнейшее увеличение производительности и качества обработки.

Исследованию процессов электроэрозиионой обработки и анализу теоретических и экспериментальных исследований посвящены работы российских и зарубежных ученных: Артамонова Б. А., Волосатова В.А., Золотых Б. Н., Красюк Б.А., Лазаренко Б. Р., Лазаренко Н. И., Некрашевича И.Г., Мицкевича М. К., Палатника Л.С., Носуленко В. И., Намитокова К.К., Отто М.Ш., Саушкина Б. П., Лившица А.Л., Ставицкого Б. И., Фотеева Н. К., Левит М.Л., Любимова В.В., Волгина В.М., Халдеева В.Н., Подураева В.Н., Ушомирской Л.А., Зингерман А.С., Сосенко А.Б., Кравец А.Т., Якимовича Б.А. и др.

Анализ литературных данных показывает, что изучение процессов ЭЭО в основном осуществляется на базе экспериментальных исследований. ЭЭО в реальных условиях представляет собой нелинейный стохастический процесс, достаточно полная математическая модель, которого отсутствует. Вследствие того, что физико-химические процессы, протекающие при электроэрозионной обработке, очень сложны и главное очень скоротечны, и большинство из них могут быть описаны только качественно, требуются обширные теоретические и экспериментальные исследования. А для выбора режимов ЭЭО обеспечивающих максимальную производительность с обеспечением необходимого качества и необходимы специальные промышленные испытания.

На современных электроэрозионных станках автоматизировано большинство основных и вспомогательных операций. С помощью различных систем управления осуществляется автоматическое смена ЭИ, марка его положения относительно обрабатываемой детали, автоматическая смена режимов генератора импульсов (ГИ) и режимов подачи рабочей жидкости в зону обработки. Для обеспечения технологических показателей процесса ЭЭО необходимо: назначение оптимальной скорости подачи ЭИ в зону обработки, оценка устойчивости процесса ЭЭО, применение оптимальных режимов обработки и управление ими во время обработки. Однако решение этих задач с помощью существующих систем управления не дает должного результата, так как эти системы ориентированны без учета специфики процесса ЭЭО.

Поэтому в комплексе мероприятий направленных на повышение эффективности и качества ЭЭО немаловажное место занимают вопросы теоретических и экспериментальных исследований процессов сопровождающих ЭЭО, установления взаимосвязи входных и выходных параметров обработки на оптимальных режимах на устойчивость ЭЭО, на шероховатость обработанной поверхности и износ электрода-инструмента.

Как показал анализ результатов исследований различных авторов существующие методы повышения эффективности, оптимизации режимов обработки основаны на эмпирических и полуэмпирических зависимостях, что не позволяет обеспечивать производительность и требуемую точность обработки, а также повышения устойчивости процесса в режиме реального времени.

Большой вклад в исследование динамических процессов при обработке материалов и в решении проблемы управления динамическими системами и их устойчивости внесли А.А. Кудинов, Б.М.Бржозовский, И.Г. Жарков, В.Л. Заковоротный, Ю.Г. Кабалдин, А.В. Кудинов, С.С. Кедров, А.В. Пуш, М.Л. Орликов и др. Вопросы устойчивости и управления процессами ЭЭО исследованы Б.Р. Лазаренко, Б.Н. Золотых, А.С. Зингерман, И.Г. Некрашевич, А.Я. Артамонов, Иноуэ Киси, В.А. Ким, Ф.Я. Якубов, В.М. Нуждов, А.И. Левит, А.Г. Суслов, Ю.С. Волков, Л.Я. Попилов, В.К. Глухих и др.

В существующих математических моделях описания технологического процесса ЭЭО, основанных на базе нелинейных дифференциальных уравнениях, отсутствуют динамические характеристики, позволяющие прогнозировать устойчивое состояние процесса и системы станка в целом. Это обусловливает необходимость разработки новых подходов к оценке и поиска критериев устойчивости процесса ЭЭО, особенно при обработке деталей авиационной и космической техники, которые изготавливаются из таких материалов, как титановые сплавы ОТ4, ВТ20, стали 5ХНМА, 30ХГСА, Р18, алюминиевые сплавы АК4, Д16.

Широкое использование средств вычислительной техники в современном станочном оборудовании позволяет управлять динамическими процессами на основе фундаментальных подходов к устойчивости сложных систем. К числу фундаментальных подходов к исследованию устойчивости сложных систем следует отнести теорию синергетику и разрабатываемую на этом междисциплинарном подходе новые направления -- нелинейную динамику и нейронные сети. Эти направления составляют основу концепции искусственного интеллекта.

Привлечение концепции мультифракталов позволяет дать количественную оценку устойчивости динамической системы обработки в виде фрактальной размерности. При потери устойчивости, система переходит в хаотическое состояние. В этой связи важно изучить сценарий потери устойчивости системы.

Исследование вопросов устойчивости процесса ЭЭО, разработка новых критериев ее оценки, апробирование и исследование влияния их на устойчивость, производительность обработки и качество поверхности, моделирование технологического процесса ЭЭО, на основе подходов искусственного интеллекта для мониторинга качества поверхности, с использованием адаптивного управления технологическими параметрами процесса ЭЭО является актуальной народнохозяйственной задачей.

В связи, с вышеизложенным и с учетом поставленной цели были сформулированы задачи исследований, представленные выше.

Во второй главе приведены методики проведения экспериментальных исследований, описываются объекты исследований, представлены технические характеристики используемых измерительных преобразователей и аппаратуры для наблюдения и записи результатов экспериментов. Предложены алгоритмы обработки и анализа экспериментальных данных. В качестве объекта экспериментальных исследований использовался электроэрозионный копировально-прошивочный станок с адаптивным программным управлением модели 4Л721Ф1 с широкодиапазонным генератором импульсов ШГИ-40-440М с номинальным током 40 А и максимальной частотой следования импульсов 440 кГц. В системе отчета глубины обработки детали применено устройство цифровой индикации типа Ф5246 и бесконтактный сельсин БС-155А. В системе рабочей подачи электрода-инструмента применен высокомоментный двигатель постоянного тока ДПУ 127-220-1-30-Д09 со встроенным тахогенератором ТГ1 и комплектный привод типа ЭШИР-1-А с транзисторным широкоимпульсным преобразователем. При проведении исследований использовались следующие рабочие жидкости: сырье углеводородное для производства сульфанола (ТУ 38.101845-80) и рабочая жидкость РЖ-3 для электроэрозионных станков (ТУ 38.101883-83).

На основе полученных экспериментальных данных рассчитывались динамические характеристики электроэрозионной обработке. Расчеты производились с применением разработанного программного обеспечения, в частности Statgraphics Plus 5.0, Image.Pro.Plus. 5.1, DynAnalyzer. Разработаны математические алгоритмы нелинейной динамики и позволяли проводить реконструкцию аттракторов динамических систем и оценку фрактальной размерности, информационной энтропии на основе анализа сигнала виброакустической эмиссии, рассматриваемых как временные ряды.

Процесс ЭЭО является сложным динамическим процессом, на выходные параметры которого оказывают влияние различные факторы обработки. Поэтому выбор оптимальных по производительности к качеству обработанной поверхности связан с большим объемом экспериментальных работ. Для получения максимальной информативности при минимальном объеме экспериментальных работ при разработке стратегии исследования на первом этапе был использован метод математического планирования эксперимента. Обработка результатов опытов, полученных при реализации матрицы, позволяет получить эмпирическую модель процесса, адекватно описывающую процесс ЭЭО.

Из всего многообразия факторов, влияющих на технологические показатели обработки, были выбраны следующие: частота следования рабочих импульсов fи кГц; скважность q; сила тока I, А; напряжение U, В. Названная совокупность факторов удовлетворяет требованиям совместимости и отсутствия линейной корреляции. В качестве параметров оптимизации принимали высоту микронеровностей Rz, мкм, и производительность М, мм3/мин. Определяющим параметром является показатель шероховатости, который должен быть менее 20 мкм при максимальной производительности.

Металлографические исследования детали после обработки проводили с использованием стандартных методик. Производительность определяли весометрическим методом на аналитических весах АДВ-200 с точностью до 0,001 г. Высоту микронеровностей определяли с помощью лабораторного микроскопа МИС-11.

Для проведения опытов по исследованию единичных лунок были приготовлены микрошлифы, следующим образом, из листа металла толщиной 1 мм, вырублены кубики размером 10х10 мм. Затем образцы шлифовались бумажными шкурками, переходя от одной шкурки к другой в порядке уменьшения размерами абразивных частиц. Перед проведением опытов измеряется масса образцов и электродов на электронных весах с точностью до 0,001г.

В процессе экспериментов фиксировалась величина рабочего тока и напряжения с помощью приборов (амперметра и вольтметра), имеющихся на станке. После установки и закрепления очередного образца на предметном столике, закрепляли электрод, включали генератор импульсов и плавно опускали электрод с помощью регулятора подачи по направлению к заготовке. При приближении электрода к заготовке происходил электрический разряд, и, таким образом, получалась лунка. Для получения достоверных данных на каждом образце получали не менее 30 лунок. После окончания опыта вновь измеряется масса образцов и электродов на электронных весах. Генератор импульсов выполнен на базе экспериментальной установки ЭФИ 101, с возможностью получения емкости конденсатора С 200 мкФ, 400 мкФ, 600 мкФ и напряжения U ? 18 В.

В качестве критерия оценки процесса исследование фрактальной размерности шероховатости обработанной поверхности после ЭЭО проводили для четырех различных материалов: алюминиевого сплава АК4, быстрорежущей стали Р18, титанового сплава ВТ20 и стали 5ХНМА. Образцы обрабатывались на четырех режимах: черновой, получистовой, чистовой и отделочный.

При металлографических исследованиях структура поверхностного слоя изучалась с помощью оптического микроскопа «Микро - 200», который позволяет увеличивать поверхность микрошлифа. От образцов, после обработки на электроэрозионном станке отрезали темплеты для проведения исследований микроструктуры поверхностного слоя в области воздействия электрода. Темплеты заливали эпоксидной смолой для удобства шлифования и получения максимально плоской поверхности. После шлифования осуществляли полирование темплетов пастами, содержащими алмазные микропорошки марки АСМ и АМ, применяя их в порядке уменьшения размеров абразивных частиц. После удаления царапин и рисок с поверхности исследуемых темплетов, их поверхностный слой протравливали специальными растворами для выявления структуры материала.

поверхность обработка электрический эрозия

Рис.1. Блок-схема исследовательского комплекса: 1 - ЭИ; 2 - заготовка; 3 - приемный преобразователь

Для регистрация и анализа акустических сигналов, возникающих при ЭЭО, использовалась специальная аппаратура, состоящая из приемного преобразователя, предварительного высокочастотного усилителя, блока универсальных фильтров, блока основного усилителя, блока интегрирования, и анализатора спектра С4-77. Блок-схема аппаратуры изображена на рис.1. В качестве приемного преобразователя использовался вибропреобразователь АР37 (производства «ГлобалТест» г. Саров), имеющий линейную передаточную характеристику в диапазоне 0,5-15000 Гц.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований по износу электрода-инструмента и исследований единичных лунок при электроэрозионной обработке титановых сплавов, для разработки рекомендаций по выбору оптимальных параметров обработки. Изучены особенности процесса ЭЭО на основе исследований единичных лунок при обработке титанового сплава.

Были проведены исследования ЭЭО титанового сплава ОТ-4 единичными импульсами. Эксперименты по ЭЭО проводили в лабораторных условиях, где в качестве оборудования для проведения исследований использовали приспособление для моделирования процесса ЭЭО с генератором импульсов. Результаты исследований износа медного электрода-инструмента при обработке титанового сплава ОТ-4 в различных средах представлены на рис.2. Наибольший износ электрода инструмента составил 0,009 г при силе тока равной 0,5 А, а наименьший износ 0,001 г при силе тока 0,2 А.

Обработка экспериментальных данных показала, что процесс износа ЭИ в среде воздуха, керосина и РЖ3 подчиняется уравнению