Автоматизация контроля и удаления катодных отложений в технологическом процессе прецизионной электрохимической обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Косарев, Тимофей Владимирович

• Косарев, Тимофей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Косарев, Тимофей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМЕ КОНТРОЛЯ И УДАЛЕНИЯ КАТОДНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ.

1.1. Современное состояние систем автоматизированного управления процессом прецизионной ЭХО.

1.2. Феноменология процесса образования КО и влияние величины отложений на выходные технологические показатели прецизионной ЭХО.

1.3. Проблема автоматизированного контроля и удаления КО.

1.4. Цель и задачи работы.

2. ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ АСУТП ЭХО С ФУНКЦИЯМИ КОНТРОЛЯ И УДАЛЕНИЯ КАТОДНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ.

2.1. Информационная модель автоматизированной системы управления процессом ЭХО с функциями контроля и удаления КО.

2.1.1. Функциональная модель.

2.1.2. Логическая модель данных.

2.2. Алгоритмы работы АСУТП ЭХО с функциями контроля и удаления КО.

2.2.1. Контроль величины КО.

2.2.2. Управление процессом удаления КО с контролем допустимой величины тока обратной полярности.

2.3 Выводы ко второй главе.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ И УДАЛЕНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ.

3.1. Исследования информативных параметров, характеризующих величину КО.

3.1.1. Экспериментальное исследование в лабораторной ячейке электродного потенциала поверхности инструмента, частично покрытой КО.

3.1.2. Математическая модель процесса образования КО с учетом гидродинамических условий МЭП при импульсной ЭХО вибрирующим электродом-инструментом.

3.1.3. Физическая и математическая модели поверхности электрода-инструмента, частично покрытой КО.

3.1.4. Экспериментальное исследование изменения электродного потенциала на физической модели электрода-инструмента. Сравнение теоретических и экспериментальных данных.

3.1.5. Экспериментальное исследование влияния паразитных ЭХЯ на значения информативного параметра, характеризующего величину КО.

3.1.6. Математическая модель ЭХЯ в условиях ЭХО при наличии паразитных электрохимических связей. Сравнение теоретических и экспериментальных данных.

3.1.7. Методы измерения величины КО с компенсацией влияния паразитных ЭХЯ.

3.2. Статистические исследования информативного параметра, характеризующего величину КО.

3.3. Теоретические и экспериментальные исследования информативного параметра, характеризующего предельно допустимый ток обратной полярности при удалении КО.

3.3.1. Экспериментальное исследование поверхности электрода-инструмента, повреисденнон импульсным током обратной полярности.

3.3.2. Метод определения предельно допустимого тока обратной полярности.

3.4. Выводы к третьей главе.

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ.

4.1. Промышленная АСУТП ЭХО с функциями контроля и удаления катодных отложений.

4.1.1. Структура аппаратной части.

4.1.2. Требования к аппаратно-программной части АСУТП

4.1.3. Пример практического апробирования системы управления процессом ЭХО с функцией контроля и удаления КО.

4.2. Технические требования к источнику технологического тока и источнику тока обратной полярности для работы с новой

АСУ ТП ЭХО.

4.3. Разработка учебной лабораторной работы по моделированию процесса образования КО.

4.4. Пример технологической операции изготовления детали нмпульсно-циклическим методом ЭХО с контролем и удалением КО.

4.5. Выводы к четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация контроля и удаления катодных отложений в технологическом процессе прецизионной электрохимической обработки»

Повышение технических требований к точности и качеству поверхности деталей машин и приборов дает стимул к развитию и применению новых прецизионных способов ЭХО, отличающихся высокой степенью прерывистости кинематико-геометрической характеристики и позволяющих вести обработку на малых (менее 10 мкм) МЭЗ.

В последнее десятилетие были достигнуты значительные успехи в вопросах автоматического управления процессом ЭХО. Большой вклад в развитие данного направления внесли отечественные и зарубежные научные коллективы: Тульского политехнического института, Уфимского государственного авиационного технического университета, научно-исследовательского технологического института (НИТИ, лаборатория 106), НКТБ «Искра» (Уфа), АО «Электросистема» (Киров), АО ЦНИТИ (Центральный научно-исследовательский технологический институт, Москва), фирма «Dorner engineering» (Германия), фирмы «Ultra-systems» и «Amchem» (Великобритания) и др.

Однако, в большинстве случаев в качестве объекта управления рассматривался процесс ЭХО на относительно больших (0,02.0,2 мм) МЭЗ, что ограничивало точность копирования, либо при разработке алгоритмов управления и формировании структуры системы управления не учитывались особенности физико-химических процессов и закономерностей, характерных для малых и сверхмалых МЭЗ при высоких (>100 А/см ) плотностях импульсного тока. В частности, при разработке систем автоматизированного управления не учитывались искажения значений информативных параметров, характеризующих величину МЭЗ, обусловленных изменением физико-химического состояния и макрогеометрии поверхности катода, например, за счет образования на нем пленок и осадков - катодных отложений (КО), либо селективным электрохимическим растворением фаз материала электрода-заготовки.

Появление КО, величина которых соизмерима с величиной МЭЗ, в технологическом аспекте приводит к снижению точности обработки, увеличению энергоемкости процесса; копирование микрорельефа КО не позволяет снизить шероховатость обрабатываемой поверхности. В аспекте управления процессом КО приводят к снижению достоверности информативных параметров, характеризующих величину МЭЗ, физико-химическое состояние поверхности электродов и межэлектродной среды, что в совокупности снижает качество управления процессом.

Таким образом, проблема создания систем АСУТП ЭХО на малых МЭЗ с функциями контроля и удаления КО является актуальной.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Информационная модель АСУ ТП ЭХО с функциями контроля и удаления КО.

2. Метод определения предельно допустимой амплитуды тока обратной полярности при заданной длительности очищающего импульса в процессе удаления КО.

3. Методы контроля величины КО по остаточному напряжению на электродах после выключения технологического импульса с компенсацией негативного влияния паразитных ЭХЯ на погрешность измерения величины КО.

4. Алгоритмы контроля информативных параметров и алгоритмы управления процессом удаления КО.

5. Технические требования к аппаратно-программной реализации АСУ ТП ЭХО с функциями контроля и удаления КО.

Научная новизна

1. Разработана информационная модель АСУ ТП ЭХО, учитывающая информационные потоки данных, характеризующих величину КО и допустимый ток обратной полярности при удалении КО, а также функции, формирующие управляющие команды процессом ЭХО и процессом удаления КО на основании данной информации.

2. Усовершенствован метод контроля величины КО с компенсацией влияния паразитных ЭХЯ на точность измерения, основанный на анализе скорости спада остаточного напряжения на электродах после приостановки процесса ЭХО. Отличительной особенностью данного метода является то, что сокращение длительности измерительной паузы при ЭХО предлагается осуществлять принудительным разрядом емкостей ДЭС электродов постоянным током обратной полярности малой плотности, с последующим анализом скорости изменения остаточного напряжения на электродах.

3. Предложен метод определения предельно допустимой амплитуды и длительности импульса тока обратной полярности, не допускающего электрохимического повреждения электрода-инструмента при удалении КО, основанный на выявлении критичных точек вольтамперной характеристики МЭП, характеризующих переход анодных электрохимических процессов из пассивной в транспассивную область.

4. Разработана математическая модель процесса образования КО, учитывающая гидродинамические условия МЭП при импульсной ЭХО вибрирующим электродом-инструментом, и модель процесса изменения электрических характеристик ДЭС электрода в зависимости от величины КО, устанавливающая функциональную взаимосвязь величины КО и информативного параметра.

Практическая ценность

Результаты работы использованы:

1. При разработке технологии изготовления узких пазов на ЗАО «Оптимедсервис» в детали прецизионной части ножа витреотома для проведения офтальмологических полостных операций на заднем сегменте глаза.

2. При создании опытного образца электрохимического станка на предприятии «Уралтехносервис».

3. При разработке и внедрении в учебный процесс курса лекций и методических указаний к лабораторным работам по дисциплинам «Теоретические основы обработки металлов концентрированными потоками энергии» и «Системы автоматизированного проектирования в реновации».

Отдельные разделы работы выполнялись в рамках государственной научно-технической программы Академии наук Республики Башкортостан «Проблемы машиноведения конструкционных материалов и технологий»; по заданию Министерства образования РФ по направлению «Производственные технологии» (ПР-577 от 30.03.03), а также в соответствии с планами работ по контрактам и хозяйственным договорам Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) и ООО «Компания Новотэч» (г. Уфа).

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: XIV-m Международном симпозиуме по электрическим методам обработки ISEM-XIV (Эдинбург, Шотландия 2004г.), на всероссийской научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности России» (г. Тула, 2003г.), на IV международном научно-практическом семинаре «Современные электрохимические технологии в машиностроении» (г.Иваново, 2003 г.), на V-м международном семинаре «Computer Science and Information Technologies» (г. Уфа, 2003 г.) и на технических советах предприятия «Новотэч» (г. Уфа).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях центральной и международной печати. и

Структура и объем работы

Содержание диссертационной работы изложено в 4 главах на 111 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 54 цитируемых источников.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Косарев, Тимофей Владимирович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана информационная модель АСУТП ЭХО, учитывающая информационные потоки данных, характеризующих величину КО и допустимый ток обратной полярности при удалении КО, а также функции, формирующие управляющие команды процессом ЭХО и процессом удаления КО на основании данной информации.

2. Экспериментально установлено, что образовавшиеся на поверхности электрода-инструмента отложения изменяют его электродный потенциал. Разработана математическая модель поверхности электрода-инструмента, частично покрытая КО, и математическая модель процесса образования отложений, учитывающая гидродинамические условия МЭП при вибрации электрода-инструмента, развивающая представления о механизме образования КО и объясняющая характер распределения отложений по поверхности электрода. Предложен метод определения допустимой величины тока обратной полярности в процессе удаления катодных отложений.

3. Установлено, что негативное влияние на погрешность измерения величины КО оказывают паразитные ЭХЯ электрохимического станка. Предложена математическая модель покрытой катодными отложениями поверхности электрода-инструмента и модель электрических процессов, проходящих в МЭП с учетом наличия паразитных ЭХЯ, образованных оборудованием электрохимического станка. Разработаны методы измерения величины КО с компенсацией влияния паразитных ЭХЯ на погрешность измерения величины КО. Теоретические данные показывают, что погрешность измерения величины КО при использовании данного метода снижается на два порядка. Для измерения величины КО процесс ЭХО прерывается измерительными паузами. Длительность измерительной паузы предлагается сокращать принудительным разрядом ДЭС электродов постоянным током обратной полярности малой плотности.

Установлена корреляционная взаимосвязь между величиной катодных отложений и изменением значения информационного параметра с коэффициентом корреляции р=0.91.

4. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны алгоритмы контроля величины КО и алгоритмы управления процессом удаления катодных отложений с контролем допустимого тока обратной полярности.

5. Для реализации предложенных методов контроля и удаления КО сформулированы технические требования к программно-аппаратной части АСУ ТП ЭХО. Разработано и отлажено на технологическом процессе прикладное программное обеспечение АСУТП ЭХО с функциями контроля и удаления КО. На основании математической модели процесса образования КО разработана моделирующая программа, наглядно отображающая происходящий процесс, использующаяся в учебном процессе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Косарев, Тимофей Владимирович, 2004 год

1. РСТ WO 01/30526 Al. Electrochemical machining method and apparatuses// Tohugunov В

2. РСТ WO 02/086198A2 Method and device for machining workpices by electrochemically removing material// Shekulin D., Shekulin E.

3. US Patent 4331524 Process and apparatuses for electrolytic metal processing/ AEG Elotherm

4. Патент РФ №2188103C, МКИ B23H3/00 способ электрохимической обработки титановых сплавов/ Елагин Е.Ф.

5. А.с. 397301 СССР. МКИ3 В 23 Р 1/04. Способ ЭХО токопроводящих материалов / Н. К. Кащеев и др. (СССР). Опубл. 1973, Бюл. № 37.

6. Пат. 5833835 США, МКИ6 В 23 Н 3/00. Способ и устройство для электрохимической обработки биполярными импульсами тока / Н.З.Гимаев, А.Н.Зайцев, А.Л.Белогорский и др.

7. Пат. 6231748 США, МКИ7 В23Н 3 / 02.Способ и устройство для электрохимической обработки/И.Л.Агафонов, Р.А.Алимбеков, А.Л.Белогорский, А.Н.Зайцев и др.

8. Патент 2038928(RU), МКИ В23Н 3/02. Способ электрохимической размерной обработки / Н.З.Гимаев, А.Н.Зайцев, С.В.Безруков(Яи). Опубл. В БИ №19. 1995.

9. И.А.с. 265651 СССР. МКИ3 В 23 Р 1/04. Система автоматического регулирования МЭЗ при ЭХО / Б. И. Дружкин и др. (СССР). Опубл. 1970, Бюл. № 10.

10. А.с. 457573 СССР. МКИ3 В 23 Р 1/04. Способ регулирования процесса электрохимической обработки / Р. Б. Исакова и др. (СССР).- Опубл. 1975, Бюл. №31.

11. И.А.с. 891309 СССР. МКИ3 В 23 Р 1/14. Способ регулирования межэлектродного зазора при электрохимической обработке / С. В. Безруков, В. Б. Рабинович, А. П. Семашко, Н. 3. Гимаев (СССР). Опубл. 1981, Бюл. № 47.

12. Пат. 3801487 США. Устройство для регулирования рабочего промежутка между изделием и электродом инструментом в процессах ЭХО металлов / (США). - Опубл. 1974, Изобретения за рубежом № 7.

13. А.с. 241879 СССР. МКИ3 В 23 Р 1/04. Способ стабилизации МЭЗ / А. И. Стебаев и др. (СССР). Опубл. 1969, Бюл. № 14.

14. А.с. 436554 СССР. МКИ3 В 23 Р 1/04. Способ регулирования межэлектродного промежутка / JI. Д. Понамарев и др. (СССР). Опубл. 1978, Бюл. № 7.

15. Investigation of cathode sedimentation under pulse ECM of steels with electrode tool vibration/N.A.Amirchanova, M.Brussee, A.N.Zaitsev и.о.

16. Proceedings of the 13-th International Sympo-sium for Electromachining ISEM XIII. Spain, Bilbao, 2001. P. 313-325.

17. Давыдов А.Д., Козак E. Высокоскоростное электрохимическое формообразование. М. Наука, 1990. 272с.

18. Мороз И.И. и др. Электрохимическая обработка металлов. М., Машиностроение, 1969. 208 с.

19. Маеда С. Методы электрохимической обработки // Кикай то кочу. 1963. №9. Р.7.

20. Сенина О.А. О влиянии электрохимических свойств материала катода на процесс ЭХРО//Электродные процессы и технология электрохимической обработки металлов. Кишинев: Штиинца, 1980. С.66-71.

21. Зайцев А.Н., Гимаев Н.З., Амирханова Н.А., Куценко В.Н., Маркелова Н.И./ Исследование катодных отложений при импульсной ЭХО сталей вибрирующим электродом-инструментом // Электронная обработка материалов. 2001. №2. С.4-12.

22. Амирханова Н.А., Гимаева Н.З., Куценко В.Н., Зайцев А.Н., Маркелова Н.И./ Удаление катодных отложений при импульсной электрохимической обработке // Технология металлов. 2001. №7. С.25-31.

23. Корнилов Е.Н., Покровский Ю.Ю., Пупков Е.И./ Исследование катодных пленок в процессе электрохимической обработки нержавеющей стали // Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов. Тула, 1978. С. 10-16.

24. Давыдов А.Д, Кабанов Б.Н./ Роль рН электролита при электрохимической обработке // Электронная обработка материалов. 1977. №2, С.10-15.

25. Маркелова Н.И./ Исследование отложений на электрод-инструменте при импульсной электрохимической обработке // Технология и оборудование современного машиностроения: Тезисы докладов. Уфа: УГАТУ, 2000.-С.21.

26. Маркелова Н.И./ К вопросу оптимизации параметров режима при импульсной электрохимической обработке // Математическое моделирование в решении научных и технических задач: Тезисы докладов. Вып.2.- Уфа, 2001.- С 7-9.

27. Маркелова Н.И. / Исследование катодных отложений при импульсной ЭХО // Актуальные проблемы химии и химической технологии: Тезисы докладов. Иваново: ИГХТА, 2001. -С. 15.

28. Маркелова Н. И. Удаление катодных отложений при выполнении технологических операций биполярной электрохимической обработки: Дисс. канд. техн. наук. Защищена. Утв.

29. Зайцев А.Н., Агафонов И.Л., Безруков С.В. и др. Прецизионная электрохимическая обработка импульсным током- Уфа: «Гилем», 2004. 196с.

30. Духин С.С., Дерягин Б.В. Электрофорез М: Наука, 1976. - 332с.

31. Балезин С.А., Парфенов Г.С. Основы физической и коллоидной химии

32. Оборудование для размерной электрохимической обработки деталей машин. / Под ред. проф. Ф.В. Седыкина М.: Машиностроение, 1980. — 277 с.

33. Васильев Д.В., Чуич В.Г. Системы автоматического управления — М: Высшая школа, 1967. 417с.

34. Воронов А.А., Титов В.К., Новогранов Б.Н. Основы теории автоматическогоо регулирования и управления. — М: Высшая школа, 1977. — 519с.

35. Мухутдинов Р. Р., Зайцев А. Н./ Процесс электрохимической струйной обработки как объект управления // Современная электротехнология в машиностроении: Сборник трудов- Тула: Тульский государственный университет, 1997.-С. 159-160.

36. International application published under the Patent Cooperation Treaty (PCT) WO 01/78930 A2 IPC7 B23H 3/02 18.04.00. Method controlling an electrochemical machining process/Gimaev N.Z., Zajcev A.N etc.

37. Дж.Холл, Дж.Уатт. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений М: Мир, 1979. - 312с.

38. Житников В.П., Зайцев А.Н. Математическое моделирование электрохимической размерной обработки. Уфа: УГАТУ, 1996. 221 с.

39. Косарев Т.В./ Математическая модель межэлектродного промежутка в условиях электрохимической обработки (статья на английском языке) // 5-й международный семинар по компьютерным наукам и информационным технологиям CSIT'2003. Уфа, 2003, Т. 2, С.254-255.

40. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику: Учебное пособие для студентов вузов. М.: Высшая школа, 1975. 416с.

41. Артамонов Б.А., Вишницкий A.JL, Волков Ю.С., Глазков А.В. Размерная электрохимическая обработка металлов: Учебное пособие для студентов вузов. М.: Высшая школа, 1978. 336с.

42. Голованчиков М.И., Евтушенко Р.А., Пошевня Р.А./ Влияние продуктов анодного растворения на сопротивление МЭЗ // Электрохимические и электрофизические методы обработки металлов. Сборник научных трудов -Тула: 1979. 46-55с.