В статье представлены теоретические основы разработки электротехнологических методов обработки деталей машин на основе информационных технологий. Рассмотрена физическая природа мультипликативного эффекта, основанного на совместном воздействии таких методов обработки, как размерная электрохимическая, лазерная, электроэрозионная и т.д., позволяющая умножить положительные выходные характеристики процесса обработки, к которым относятся производительность, качество, обработка поверхностей и т.д. Используемые для названных целей информационные системы и системы автоматизации базируются на определенной последовательности получения, обработки и использования информации, идентификации энергетических внешних воздействий, математической модели, апробации с уточнением параметров поверхностного слоя, стендовых и натурных испытаний, разработки конструкторско-технологической документации, производстве и внедрении.
комбинированные электротехнологические методы, параллельно-последовательные информационные технологии
Введение
Разработка новых технологий, основанных на природе мультипликативного эффекта и совместном воздействии ряда методов обработки (размерная электрохимическая, лазерная, электроэрозионная и т.д.), позволяет улучшить так называемые инженерные характеристики объектов производства, повысить такие характеристики процессов обработки как производительность, качество обработанной поверхности и т.п.
В настоящее время в России и за рубежом наряду с внедрением новых видов материалов и конструкций современных машин проводится интенсивный поиск технологических методов, коренное усовершенствование существующих. В ряду этих методов находят применение электрофизические, электрохимические, магнитные, а также методы, основанные на физико-химических явлениях: энергии взрыва, электрогидравлического эффекта, действии электронного, лазерного луча и др. Поиск «стыковых» эффектов выявил целесообразность использования этих методов в сочетании с традиционно существующими формообразующими и упрочняющими. Построенные сочетания позволяют достичь принципиально новых технологических результатов, повысить долговечность и надежность машин и механизмов, качество изделий, производительность технологических методов. За рубежом развитие направления по оптимальному выбору сочетаний методов находит широкое научно-производственное применение.
Комбинирование технологических методов используется для решения различных технико-экономических задач. Одной из важнейших является создание на поверхностях деталей оптимальных сочетаний параметров качества поверхностного слоя (макро-геометрической точности размеров формы и взаимного расположения, микрогеометрической точности - шероховатости, распределение твердости по глубине поверхностного слоя, образование благоприятной эпюры внутренних остаточных напряжений, фазового и химического состава по глубине поверхностного слоя и др.) для повышения долговечности и надежности деталей машин.
Значительным результатом проанализированных исследований стало создание методик по сочетанию отдельных комбинированных методов, экспериментального обоснования необходимости их комбинирования, технологических маршрутов, специализированного оборудования. Проведены исследования и определены оптимальные режимы методов в совокупности с достигаемым эффектом повышения долговечности взаимодействующих контактных поверхностей деталей машин. Последнее является важным достижением в решении задачи повышения долговечности деталей машин [1].
1. Формирование параллельно-последовательных информационных технологий
Изменения, происходящие при взаимодействии твердых тел с различными по своей природе энергетическими потоками и их механизм, имеют общие черты. Это связано с трансформацией условий подвода энергии. Перестроения в поверхностном слое формируются посредством локализации определенных видов энергии при взаимодействии с поверхностями деталей машин. Проведенный анализ физико-химических превращений в поверхностном слое показал, что формирование параллельно-последовательных сочетаний воздействий определяется чередованием действия потоков электромагнитной и механической энергий. При этом расчет термодинамического состояния твердого тела включает следующий перечень математических формализаций (определение эпюры внутренних остаточных напряжений):
- описание напряженно-деформированного состояния твердого тела в периоды нагрева и охлаждения;
- описание упругопластического состояния твердого тела в моменты наложения воздействий и при их снятии;
- описание напряженно-деформированного состояния твердого тела с подвижной границей.
Для оптимизации набора параметров качества поверхностного слоя деталей (микро- и макро геометрическая точность, распределение твердости, эпюра внутренних остаточных напряжений, структурный и фазовый состав поверхностного слоя) и выбора определенных сочетаний воздействий осуществлено создание математического аппарата для описания контактного эксплуатационного взаимодействия поверхностей деталей машин с определением конкретного значения долговечности для каждого сочетания методов. С этой целью вводится понятие «внешнее воздействие» (рис. 1).
Под внешним воздействием понимается способ подвода энергии к обрабатываемой поверхности. Качественными характеристиками воздействий являются как способ подвода энергии, так и её форма. В настоящее время различают такие формы энергии, как механическая, электромагнитная, тепловая, механическая, корпускулярная и др., при этом следует отметить, что разграничение видов энергии носит весьма условный характер.
2. Методика формирования комбинированных электротехнологических методов
Методика формирования комбинированных электротехнологических методовВоздействие различных видов энергии направлено на изменение внутренней энергии поверхности, что, в конечном счете, реализуется посредством взаимодействия входящих в нее атомов и молекул, при этом атомы осуществляют обмен механической энергии колебаний. Изменение уровня внутренней энергии поверхности осуществляется только при совершении системой работы и подводом к ней тепла. В первом случае подразумевается наличие внешних сил, т.е. механического воздействия; второй реализуется путем формирования элементарных возмущений при взаимодействии частиц системы с внешними носителями энергии: квантами электромагнитного поля, движущимися частицами. При внешних воздействиях химическая энергия определяется кинетической и потенциальной энергией частиц, реализуемой механической и электромагнитной формами. Для образования химической связи между двумя или более атомами необходимо разорвать связи между ними в исходных молекулах или кристаллах, на что затрачивается определенная энергия [1,2].
Для протекания химической реакции, с определенной конечной скоростью реагирующие атомы должны обладать некоторой кинетической энергией. Эта энергия может передаваться атомами при столкновении или взаимодействии с квантами электромагнитного поля, т.е. изменение химической энергии системы может происходить под влиянием механической или электромагнитной энергии внешнего воздействия. Механическое и электромагнитное внешние воздействия реализуются посредством переноса нейтральных и заряженных частиц, а также квантами электромагнитных волн. Все это делает возможным оценить формирование сочетаний методов обработки на основе внешних воздействий. Электромагнитное воздействие формируют такие методы, как лазерные, электронно-лучевые, термические и др.
Электромагнитное воздействие передается квантами, при этом в зависимости от интенсивности потока результатом взаимодействия может быть как преимущественное совершение механической работы, так и выделение тепла. При малых частотах и интенсивностях потока энергии не происходит фазовых превращений в поверхностном слое, но имеет место значительная деформация. Интенсивность деформации оценивается за счет электромагнитных эффектов в поверхностном слое. В данном случае промежуточных рабочих сред не требуется, так как необходимо выделить механическое действие. В условиях действия электромагнитного внешнего воздействия необходима высокая скорость нарастания плотности потока энергии. Другое применение электромагнитного поля в качестве внешнего воздействия заключается в генерировании когерентных электромагнитных волн за счет вынужденного испускания или рассеивания света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе.
Процессы, реализованные в условиях действия лазерного импульса, зависят от величины плотности потока энергии и скорости нарастания. Для коротких импульсов с высокой мощностью характерно слабое испарение, малое количество вынесенного с поверхности вещества. В то же время действие импульсов с большой длительностью и малой плотностью приводит к образованию в поверхностном слое глубоких и узких кратеров. Поглощение лазерного излучения на поверхности обрабатываемой детали может приводить к образованию сильных волн давления в веществе.
В условиях поглощения поверхностным слоем электромагнитного излучения происходит возрастание его внутренней энергии. Большая скорость выделения тепловой энергии порождает механическое волновое давление. Это особенно характерно в случае коротких импульсов электромагнитного излучения с интенсивным нарастанием плотности потока воздействия. Таким образом, введенный комплексный критерий внешнего воздействия эффективно оценивает физическую сторону анализируемого электромагнитного воздействия. Механическое воздействие может осуществляться потоком нейтральных или заряженных частиц. В зависимости от массы частицы и её импульса может наблюдаться как пластическое деформирование, так и резание посредством совершения работы, выделения и передачи теплоты. При больших значениях массы и относительно малых скоростях движения частицы преимущественно совершается пластическое деформирование, которое можно характеризовать переносом импульса, количества движения, при этом данная характеристика является мерой механического воздействия. Механическое воздействие в соответствии с гармоническим законом изменения во времени определяется совокупностью потенциальной и кинетической энергии системы. При распространении звуковых волн во внутреннем поверхностном слое осуществляется перенос энергии, а переменное механическое напряжение в поверхностном слое деталей связано с вызванной упругой деформацией.
Для реализации комбинированных методов обработки деталей машин большое значение приобретает закон изменения плотности энергии во времени. Необходимо отметить, что реально существующее функциональное распределение плотности потока энергии во времени оценивается следующими видами: однократное, однократное с постоянным уровнем, многократное, реверсное.
Однократное воздействие характерно для методов, при изменении состояния которых выделяется электромагнитная или другая форма энергии, что возможно при низких значениях энергии активации, например, в ходе рекомбинации энергии в импульсных оптических квантовых генераторах. Если в ходе процесса формирования потока энергии необходим непрерывный подвод энергии, связанный с преодолением энергетического барьера, то такой процесс может быть резко ограничен по заднему фронту. Несмотря на принципиальную разницу в образовании указанных разновидностей потоков энергии, их различием с точки зрения формирования внешних воздействий можно пренебречь, если возможность управления крутизной заднего фронта не сопровождается качественными изменениями в процессах взаимодействия потока с поверхностью детали.
Такая ситуация реализуется при условии малости вклада неуправляемого последействия внешнего воздействия, а также когда продолжительность этого последействия мала по сравнению с периодом релаксации взаимодействия с твердым телом. Такое явление характерно для лазерных, электронно-лучевых методов. Как частный случай однократного воздействия можно рассматривать постоянный уровень плотности потока в интервале взаимодействия поверхностного слоя с внешними носителями энергии (рис. 2).
При этом предполагается такая длительность, при которой участком нарастания плотности потока энергии в его начале можно пренебречь. Физически это описывается, таким образом, когда продолжительность действия рабочего импульса во много раз больше продолжительности испарения. Однократные воздействия, в том числе с постоянной плотностью потока энергии, предполагают полное завершенное формирование свойств поверхностного слоя в течение одного цикла.
Введенное понятие «внешнее воздействие» позволяет обобщённо рассмотреть результат применяемых методов. При этом создается матрица внешнего воздействия, включающая такие энергетические показатели потоков (электромагнитного, механического, корпускулярного), как плотность потока энергии, скорость нарастания плотности потока и импульса.
Формирование и последующее прогнозирование сочетаний параллельно-последовательных методов основывается на следующих допущениях:
- рассматривается единичное воздействие энергетических потоков без учета последующей повторяемости; плотность потока энергии qy характеризует интегральность описания технологических методов, а скорректированная плотность потока на величину отраженной плотности потока энергии характеризует многообразие нетрадиционных методов обработки деталей машин; скорость нарастания плотности потока qk вводится для оценки изменения физико-механических параметров поверхностного слоя; импульс Ik вводится для оценки и описания эффектов, связанных с наличием ударного действия на поверхность твердого тела.
С целью проведения обобщенных расчетов вводится матрица внешнего воздействия (рис. 3). Она представляет собой матрицу параметров качества со следующим перечнем математических моделей напряженно - деформированного состояния (НДС).
Однако в указанных работах отсутствуют расчетные зависимости, оценивающие вводимые параметры матрицы внешнего воздействия, а также не раскрыты принципы построения сочетаний воздействий, их типовые разновидности.
Параметры матрицы внешнего воздействия:
- плотность потока энергии:
Где εk - полная энергия внешнего воздействия;
Vk - объем фазовой части объекта (детали). - скорость нарастания плотности потока энергии:
Где t - продолжительность воздействия. - импульс воздействия:
Где Fk - усилие воздействия.
Поэтому в дальнейшем будут рассмотрены именно эти аспекты, для чего введен ряд определений.
К параллельным сочетаниям воздействий относят комплексы, включающие образованные общие энергетические пространственно-временные центры при диапазоне продолжительности образованного комплекса, выбираемом из соотношения:
гдe 
- минимальная и максимальная продолжительности параллельных сочетаний воздействий;
- минимальная и максимальная продолжительности воздействия (из рассматри¬ваемых воздействий).
К последовательным сочетаниям воздействий относят комплексы, которые располагаются в последовательную цепь. При этом диапазон продолжительности действия комплексов оценивается соотношением:
где 
- суммарные минимальные и максимальные продолжительности действия последовательных комбинированных сочетаний;
- максимальные и минимальные продолжительности действия составляющих комбинированного сочетания.
Параллельно-последовательными называются комбинированные сочетания, включающие сформированную последовательную цепь с наличием общих энергетических центров, при этом диапазон продолжительностей комбинированных сочетаний оценивается соотношением:
Названные выше комбинированные сочетания воздействий формируются на основании следующих принципов построения параллельно-последовательных комплексов [3,4]. Принцип исключения заключается и исключении некоторых воздействий при формировании последовательных комбинированных сочетаний, обеспечивающих достижение необходимого уровня долговечности деталей. Параметры матрицы внешнего воздействия в комбинированных сочетаниях определяются суммарными составляющими, располагаемыми в последовательную цепь внешних воздействий:
- плотность потока энергии комбинирован¬ного последовательного сочетания
Где qmin, qmax - минимальная и максимальная плотности потока энергии одного (i-гo) из сочетаемых воздействий, Дж/м3; - скорость нарастания плотности комбини¬рованного сочетания
Где qimax; qimin - максимальная и минимальная скорости нарастания плотности потока энергии одного из сочетаемых воздействий, Дж/(мЗ×с); - импульс комбинированного последовательного сочетания
Где Imin,max - импульсы отдельных составляющих воздействий.
Принцип совершенствования для образования комбинированных сочетаний заключается в синтезе последовательных и параллельных сочетаний (параллельно-последовательные комбинации), обеспечивающие необходимый уровень долговечности. Параметры матрицы внешнего воздействия в комбинированных параллельно-последовательных сочетаниях определяются совокупными формами расчета параллельных и последовательных комбинаций. Принцип совмещения для образования комбинированных воздействий заключается в единовременном энергетическом действии последних с созданием параллельных комбинаций, обеспечивающих необходимый уровень долговечности.
Параметры матрицы внешнего воздействия в комбинированных сочетаниях определяются следующим образом:
- плотность потока энергии определяется суммарным интервалом минимальных и максимальных значений
где qimax; qimin - максимальная и минимальная плотности потока энергии одного из сочетаний воздействий, Дж/м3; - скорость нарастания плотности потока параллельных сочетаний определяется суммарным интервалом минимальных и максимальных значений, отнесенных к наименьшей и наибольшей из продолжительностей воздействий
Где ti - продолжительность воздействия; - импульс параллельных сочетаний воздействий
Где Fimin,max - усилие i-го воздействия.
С учетом введенных выражений формируются специальные таблицы матриц внешнего воздействия методов, которые затем трансформируются в расчетные режимы методов обработки и технологий [5].
Выводы:
В результате исследования теоретических основ формирования комбинированных электротехнологических методов построена методология энергетического параллельно-последовательного образования комплексов на базе внешних воздействий. Последние оформлены посредством реализации модели разрушения контактных поверхностей.
Разработаны теоретические основы создания комбинированных электротехнологических методов, опорным элементом которых является понятие матрицы внешнего воздействия при реализации принципов исключения, совершенствования и совмещения.
1. Вячеславова О.Ф. Нетрадиционные методы обработки деталей машин, созданные на основе информационных технологий. Допущено УМО вузов РФ по образованию для студентов технических специальностей (учебное пособие) [Текст]./С.В.Усов, П.А. Давыденко, Подольск: Изд-во «Славянская школа», 2010г., –с. 148.
2. Албагачиев А.Ю. Прогрессивные машиностроительные технологии, оборудование и инструменты [Текст]. / А.Ю. Албагичев[и др.] Том VI: коллективная монография. М.: Издательский дом «Спектр», 2015.–464 с.
3. Усов С.В. Теория и практика создания мультипликативных комбинированных технологий на основе информационных систем [Текст]./ С.В. Усов,О.Ф. Вячеславова и[др.]М.: Университет машиностроения, 2016. –247 с.
4. Вячеславова О.Ф. Автоматизация процессов измерения параметров электрохимически обработанных поверхностей с целью реализации фрактального подхода к управлению технологическим процессом [Текст]/О.Б.Бавыкин, А.А.Потапов//В ж. «Системы обработки информации», выпуск 2(100)- Харьков: Изд-во Харьковского университета, 2012,– с.92–95.
5. Усов С.В. Нанотехнологические методы обработки деталей машин на базе информационных технологий [Текст]. Учебное пособие. /С.В.Усов[и др.]Подольск: изд.-во «Славянская школа», 2010.– 125 с.
