Методология проектирования комбинированных технологических процессов модификации поверхностного слоя изделий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, доктор наук Сафонов Сергей Владимирович

• Сафонов Сергей Владимирович
• доктор наук
• 2018

Оглавление диссертации доктор наук Сафонов Сергей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СЕРТИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МЕТАЛЛОВ

1.1 Модификация свойств поверхностного слоя без нанесения покрытия

1.2 Формирование поверхностного слоя с удалением припуска

1.3 Формирование свойств поверхностного слоя путем нанесения однородных покрытий

1.4 Создание многокомпонентных покрытий

Анализ состояния вопроса и обоснование задач исследований

ГЛАВА 2 НАУЧНОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ ПОСТАВЛЕННОЙ ЦЕЛИ

2.1 Рабочие гипотезы

2.2 Разработка обобщенного принципа полезности

2.3 Научная и экспериментальная база для проведения исследований

2.4 Процедура достижения поставленной цели

Выводы по главе

ГЛАВА 3 МЕХАНИЗМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ С ЦЕЛЬЮ УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ИЗДЕЛИЙ

3.1 Критериальная система проектирования и использования технологических процессов для повышения эксплуатационных характеристик поверхностного слоя

3.2 Временные и экономические граничные условия применения выбранного технологического воздействия

3.3 Критериальная оценка достижимого уровня полезности

3.4 Особенности моделирования процесса проектирования технологии модификации и изменения толщины покрытий

3.5 Реализация механизма проектирования техпроцессов совершенствования поверхностного слоя

Выводы по главе

ГЛАВА 4 МЕТОДОЛОГИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИНЦИПА ПОЛЕЗНОСТИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ И СОЗДАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ТРЕБУЕМЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ИЗДЕЛИЙ

4.1 Критериальная оценка заданных показателей с возможностями технологических воздействий

4.2 Механизм реализации принципа полезности путем модификации поверхностного слоя без изменения его геометрии

4.3 Нанесение слоев с монолитной структурой

4.4 Комбинированные методы нанесения и снятия слоев покрытий

4.5 Новые технические решения, предложенные соискателем для реализации принципа полезности

Выводы по главе

ГЛАВА 5 ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЕАЛИЗАЦИИ КРИТЕРИАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ПРИНЦИПА ПОЛЕЗНОСТИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ С ТРЕБУЕМЫМИ СВОЙСТВАМИ

5.1 Пути повышения эксплуатационных свойств изделий путем направленного изменения поверхностного слоя по принципу полезности

5.2 Повышение эксплуатационных показателей инструмента без нанесения или удаления покрытия

5.3 Повышение эксплуатационных свойств комбинированным методом с механическим упрочнением

5.4 Влияние технологических режимов упрочнения с нанесением покрытия

на эксплуатационные показатели изделий

5.5 Нанесение комбинированных покрытий для повышения жаропрочности

и жаростойкости деталей проточного тракта двигателей

5.6 Обеспечение эксплуатационных требований металлическими покрытиями

5.7 Получение первоначальных геометрических размеров и восстановление деталей

5.8 Модифицирование поверхностного слоя с нанесением термозащитных слоев, включающих гранулы токопроводящих и диэлектрических материалов

5.9 Изменение назначения изделий путем модификации поверхностного слоя

5.10 Удаление покрытий с модификацией поверхностного слоя

Выводы по главе

ГЛАВА 6 МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДОСТИЖИМЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ТРЕБОВАНИЙ

6.1 Создание перспективных технологических процессов с критериальным обеспечением принципа полезности

6.2 Реализация методологии проектирования технологических воздействий при создании требуемого поверхностного слоя для повышения стойкости режущего инструмента

6.3 Технологии нанесения покрытий для совершенствования свойств поверхностного слоя деталей основного производства

6.4 Проектирование процессов совершенствования поверхностного слоя при ремонте и восстановлении эксплуатационных свойств изделий

6.5 Технологический процесс комбинированного механического упрочнения

с анодной подготовкой поверхностного слоя

6.6 Освоение технологических процессов, спроектированных на базе

принципа полезности

6.7 Анализ перспектив использования принципа полезности в

машиностроении

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методология проектирования комбинированных технологических процессов модификации поверхностного слоя изделий»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Одним из магистральных направлений развития машиностроения является управление процессом формообразования поверхностного слоя с учетом эксплуатационных требований к изделиям. В технике достаточно часто к деталям машин предъявляют технические условия, выполнение которых при традиционных технологиях неосуществимо. Так для летательных аппаратов необходимо иметь высокую прочность объектов при минимальной массе, свойственной, как правило, легким сплавам, имеющим меньшие, чем у стали, прочностные характеристики. Такие же взаимоисключающие требования имеют место при использовании жаропрочных материалов. Известные исследования показывают, что при эксплуатации изделий механические характеристики, в том числе усталостная прочность материалов, в значительной мере зависят от состояния и свойств поверхностного слоя, поэтому обоснованный выбор и проектирование технологических процессов получения изделий со свойствами, наиболее полно отвечающими условиям эксплуатации изделий, является актуальной проблемой, решение которой отвечает государственным программам России. Подобные вопросы на государственном уровне исследуются учеными всех промышленно развитых стран. Научными школами Москвы, Санкт-Петербурга, Воронежа, Волгограда, Ростова-на-Дону, Казани, Курска, Брянска, Рыбинска, Тулы, Перми, Самары, Саратова, Уфы и других городов страны создан задел по созданию нового научного направления -технологического управления повышением эксплуатационных характеристик изделий за счет изменения или создания поверхностных слоев путем открытия, разработки и выбора технологических процессов, формирующих такие слои в нужном направлении. Эти результаты составляют основу для отработки технологичности создаваемых наукоемких изделий.

Проведенные в последние десятилетия исследования показали, что развитие проблемы идет в следующих основных направлениях:

- с модификацией свойств без удаления припуска с целенаправленным комбинированным воздействием на поверхностный слой. Это, прежде всего,

тепловые, механические, химические процессы, электромагнитные воздействия, сочетание которых в единой комбинированной технологии позволяет придать деталям повышенные эксплуатационные характеристики. В процессе модификации могут формироваться нанопленки с толщиной, не оказывающей влияния на изменение размеров изделия;

- с удалением части поверхностного слоя изделия до получения материала, обладающего требуемыми эксплуатационными свойствами;

- с наращиванием слоев из материалов с особыми свойствами с монолитной структурой, где эксплуатационные свойства обеспечиваются путем перенесения на деталь (в том числе из других видов материалов) требуемых характеристик (износостойкость, жаростойкость и др.) к изделию через параметры наносимого покрытия. Типовым представителем такой технологии является электроэрозионное легирование, которое в последние годы стало широко использоваться в виде технологии восстановления геометрии деталей с наращиванием слоев толщиной более 1 мм. Это дает основание утверждать, что такой процесс становится частью технологии прототипирования. Здесь достигается принципиально новый результат, устраняющий основной недостаток процесса прототипирования - нестабильность прочностных характеристик, т.к. при нанесении покрытии свойства базовой детали не нарушаются, а прочность слоя обеспечивается применением адаптивных комбинированных процессов, как правило, с наложением электрического поля;

- с нанесением слоев, включающих гранулы токопроводящих и диэлектрических материалов (например, керамики, абразива и др.). Это расширяет возможности разработчиков по созданию современной техники, что также актуально, особенно для ведущих отраслей отечественного машиностроения: изделий авиационной, космической техники, ремонта транспортных средств и др. Здесь возможно применение технологий прототипирования и использование гибкоструктурных технологий, позволяющих точнее выполнять требуемые заказчиком и заданные разработчиком эксплуатационные требования к изделиям, особенно в наукоемких отраслях

машиностроения. При этом следует учитывать ограничения, одним из которых является требование со стороны заказчика обеспечить минимальную себестоимость (включая трудоемкость изготовления) изделий. Этот показатель формируется комплексно, путем оптимизации выбранных сочетаний методов обработки, обоснованного выбора материалов основы и покрытия или поверхностной обработки, способа получения поверхностного слоя с учетом границ заданных эксплуатационных требований к изделию, затрат труда и материалов на объекты производства. Такие критерии должны закладываться в основу создания методологии проектирования новых технологических процессов для каждого направления развития проблемы, что актуально для современного и перспективного машиностроения и является научной базой для формирования новых научных направлений в машиностроительной отрасли.

Работа выполнялась в соответствии с постановлением Правительства РФ №2164-П «О проведении государственной программы «Мобильный комплекс» (раздел «Техническое перевооружение»), с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013гг.» (раздел 1.2.1 «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Ракетостроение») и научным направлением ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» по плану ГБ НИР №2010.15 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно -космической технике».

Целью работы является создание методологии проектирования комбинированных технологических процессов модификации поверхностного слоя для повышения эксплуатационных показателей путем оптимального выбора из ранее освоенных или разрабатываемых способов для достижения требований, заданных разработчиком на этапе отработки технологичности осваиваемых изделий. .

В работе поставлены и решены следующие задачи:

1 Разработка системы оптимального выбора и проектирования технологических способов для модификации поверхностных слоев и видов покрытий с учетом технических, организационных и экономических ограничений.

2 Разработка методологии проектирования новых комбинированных технологических процессов для получения поверхностных слоев без дефектной составляющей за счет модификации свойств и изменения геометрии поверхностных слоев с требуемыми эксплуатационными характеристиками для ответственных изделий, в том числе полученных с использованием прототипирования.

3 Формирование механизма выбора и разработки комбинированных технологических процессов на этапе отработки технологичности осваиваемых изделий путем модификации свойств и изменения геометрии поверхностного слоя с учетом заданных эксплуатационных требований к изделиям.

4 Разработка механизма образования модифицированных слоев и оптимизация их свойств с учетом эксплуатационных требований.

5 Создание новых и реализация известных способов и устройств для проектирования комбинированных технологических процессов модификации свойств поверхностного слоя деталей с целью достижения требуемых эксплуатационных свойств изделий.

6 Формирование для технологов необходимой научно обоснованной доказательной базы для согласования результатов отработки технологичности создаваемых и осваиваемых в производстве изделий.

7 Анализ результатов внедрения комбинированных технологических процессов и разработка перспективных направлений исследований по их проектированию по прогнозу создания конкурентоспособных изделий перспективной техники.

Научная проблема. Установление ранее неизвестных эффективных связей между эксплуатационными требованиями к высоконагруженным изделиям и созданием технологии реализации эксплуатационных требований в перспективных объектах промышленной продукции путем модификации свойств

и изменения геометрических размеров поверхностного слоя на материалы с анизотропными характеристиками, сочетание которых позволяет повысить эксплуатационные показатели и разработать комбинированные технологические процессы изготовления изделий нового поколения с обеспечением технического уровня, согласованного путем отработки технологичности с заказчиком и разработчиком продукции.

Научная новизна

1 Сформулирован применительно к технологии машиностроения принцип полезности, открывающий возможность разработать систему критериального выбора и создания новых технологических способов и средств для уже имеющихся и вновь разрабатываемых комбинированных технологий для формирования модифицированного поверхностного слоя, обеспечивающего достижение необходимых эксплуатационных характеристик изделий.

2 Разработаны концепция, принципы и методология проектирования комбинированных технологических процессов формирования поверхностного слоя для изготовления перспективных изделий с высокими эксплуатационными характеристиками, затребованными заказчиком и заданными разработчиком, путем сочетания в едином технологическом процессе возможных физических воздействий для модификации поверхностных слоев материалов и нанесения покрытий на детали наукоемких объектов машиностроения.

3 Сформирован механизм выбора согласованных в процессе отработки технологичности технологических способов для стабильного получения качественных поверхностных слоев за счет комбинированного управляемого воздействия технологических приемов на материал детали с учетом условий эксплуатации изделий.

4 Разработаны математические модели, описывающие процесс формообразования качественных поверхностных слоев путем их модификации для достижения требуемых разработчиком эксплуатационных показателей изделий.

5 Разработана методология автоматизированного проектирования комбинированных технологических процессов с наложением электрического поля для изготовления изделий с поверхностным слоем, обеспечивающим требуемые эксплуатационные показатели, устанавливаемые при отработке технологичности в процессе освоения изделий нового поколения техники, наиболее полно отвечающего эксплуатационным требованиям и запросам разработчиков.

Практическая значимость

1 Создание методологии разработки комбинированных технологических процессов модификации поверхностного слоя изделий и формирование для технологов на стадии отработки технологичности осваиваемой продукции научно обоснованной системы назначения известных и путей создания новых технологических способов, обеспечивающих получение требуемых эксплуатационных показателей на изделиях, разрабатываемых Воронежским АО «Конструкторское Бюро Химавтоматики» и выпускаемых «ВМЗ - филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», а также на Воронежском станкостроительном заводе (ООО ПФК «ВСЗ-ХОЛДИНГ»), с реальным экономическим эффектом.

2 Создание и внедрение новых комбинированных способов и устройств (на уровне изобретений) для модификации свойств поверхностного слоя и изменения параметров покрытий, проектирования технологических процессов, включая прототипирование, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики деталей.

3 Обоснование использования булевых переменных для разработки методологии выбора и проектирования комбинированных технологических процессов с управляемым уровнем физических воздействий на формирование поверхностного слоя путем модификации свойств материала с целью достижения показателей, требуемых при эксплуатации создаваемых перспективных изделий.

4 Обоснование приоритетной области использования разработанных комбинированных процессов для получения высокоресурсных изделий, сочетающих низкие эксплуатационные затраты с высокими прочностными и

защитными характеристиками путем модификации свойств, нанесения и удаления поверхностных слоев с достижением требуемых эксплуатационных показателей.

5 Создание необходимой научно обоснованной доказательной базы для ускоренной отработки производственной технологичности на этапах освоения и запуска в производство создаваемых изделий на примерах авиакосмической техники и станкостроения.

6 Разработка рекомендаций по выбору и созданию средств технологического оснащения при проведении этапов подготовки производства перспективной наукоемкой конкурентоспособной техники.

Методы и достоверность исследований. При построении работы использовались теоретические положения классических закономерностей в области технологии машиностроения, электрических методов обработки, известные закономерности проектирования комбинированных технологических воздействий на основе булевых переменных, критериальный анализ для выбора воздействий, наиболее полно отвечающих запросам потребителей и разработчиков перспективной продукции машиностроения.

Достоверность результатов подтверждается получением воспроизводимых результатов при моделировании процессов, применением современных технических средств, высоким совпадением данных различных исследователей, положительными результатами использования комбинированных технологий в процессе их освоения и внедрения в производство на предприятиях различных отраслей машиностроения.

Основные положения, выносимые на защиту

1 Обоснование и создание применительно к технологии машиностроения принципа полезности для сравнения уровня влияния на объект модификации свойств и геометрических показателей покрытия, позволяющего синтезировать комбинированные воздействия на материал с разнородными эксплуатационными характеристиками.

2 Теория критериальной оценки уровня единичного и комбинированного воздействий с применением булевых переменных, позволяющих создать

технологии с комбинацией разнородных воздействий, усиливающих их положительное и устраняющих (или снижающих) негативное влияние на результирующие эксплуатационные показатели изделий с модифицированным и геометрически измененным поверхностным слоем.

3 Методология разработки комбинированных технологических процессов модификации свойств и изменения параметров покрытий поверхностного слоя с оценкой уровня их эффективности по критериям полезности, что становится основой для создания доказательной базы при отработке технологичности создаваемой техники.

4 Научное обоснование нового подхода в технологии нанесения покрытий как составляющей комбинированного процесса при изготовлении деталей прототипированием с устранением основного недостатка ранее применяемого процесса - неравномерности эксплуатационных показателей поверхностного слоя металлических изделий.

5 Обоснование возможностей повышения эксплуатационных характеристик изделий без нарушения исходной геометрии путем поверхностных преобразований химическими, механическими, термическими, физическими воздействиями с адаптацией результатов воздействий под эксплуатационные требования к объектам производства.

6 Применение в новых комбинированных технологических процессах ранее полученных и собственных способов и устройств, защищенных охранными документами и адаптированных под эксплуатационные требования, заданные заказчиком, разработчиком продукции и примененные изготовителем по согласованию с ними после отработки технологичности изделия.

7 Результаты широкого внедрения в различных отраслях машиностроения разработанных комбинированных технологий и создание методологии автоматизированного проектирования новых технологических процессов, способствующих созданию конкурентоспособной техники с высокими эксплуатационными показателями.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и нашли одобрение среди специалистов и ученых в рассматриваемой области знаний. Результаты работы и ее составные части представлялись и обсуждались на: III международной научно-технической конференции ССП-2010 (г. Воронеж, 2010 г.); VIII международной конференции молодых специалистов организаций ракетно-космической, авиационной и металлургической промышленности России (г. Королев, НОУ ДПО «ИПК Машприбор», 2010 г.); II молодежной научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника: исследования, разработки, пути решения актуальных проблем», посвященной 65-й годовщине победы в Великой Отечественной войне (г. Москва, ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», 2010 г.); XII всероссийской научно-технической конференции и школе молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии. АКТ-2011» (г. Воронеж, ОАО «ВАСО», 2011 г.); XIX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию первого полета человека в космос (г. Королев, ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия», 2011 г.); XVII Макеевских чтениях - Российской научно-технической конференции, посвященной 87-летию со дня рождения академика В.П. Макеева (г. Воронеж, ОАО «КБХА», 2011 г.); VII международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники» (Польша, г. Przemysl, 2011 г.); XV международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии» - «Технология-2012», посвященной 120-летию со дня рождения Н.Н. Поликарпова (г. Орел, «Госуниверситет - УНПК», 2012 г.); IV международной научно-технической конференции «ТМ-2012» (г. Рыбинск, РГАТУ, 2012 г.), V International Conference «Science and Education», 2014 г.; VII международной научно-технической конференции «ТМ-2015» (Брянск, БГТУ, 2015 г.); международной научно-технической конференции «Наукоемкие и волновые технологии в машиностроении, металлообработке и других отраслях» (Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2015 г.); международном научном симпозиуме технологов-машиностроителей (Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2016 г.); X международной научно-технической конференции «Современные проблемы

машиностроения» (Томск, ТПУ, 2016 г.); международном научном симпозиуме технологов-машиностроителей «Виброволновые процессы в технологии обработки деталей высокотехнологичных изделий» (Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2017 г.); международной научно-технической конференции «Лучшие технологические школы России» в рамках IV международного технологического форума «Инновации. Технологии. Производство» (Рыбинск, РГАТУ им. П.А. Соловьева, 2017 г.).

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы прошли проверку в цехах ВМЗ - филиала ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и внедрены в серийное производство для ракетных двигателей, а также на НПП «Гидротехника», ФПК «ВСЗ - Холдинг», АО «Турбонасос», АО «Конструкторское Бюро Химавтоматики» с реальным экономическим эффектом. Материалы проведенных исследований используются в учебном процессе Липецкого государственного технического университета, Воронежского государственного технического университета, Юго-западного государственного университета, Брянского государственного технического университета, Донского государственного технического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликована 61 научная работа общим объемом 93,4 п.л., где соискателю принадлежит 50,7 п.л. В их число входит 4 монографии, 6 патентов, 27 публикаций в изданиях по списку ВАК РФ и 4 в изданиях, входящих в международную базу цитирования Skopus.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, приложений, списка литературы из 224 наименований. Работа изложена на 321 странице с 82 рисунками и 29 таблицами.

ГЛАВА 1 СЕРТИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МЕТАЛЛОВ

МЕТОДОВ

1.1 Модификация свойств поверхностного слоя без нанесения покрытия

Отсутствие покрытия требует преобразований в составе поверхностного слоя обрабатываемого материала. Модификация протекает, как правило, под действием нагрева в различных средах. Технологические процессы включают в основном термообработку, выполняемую в печах, под действием лучевых методов обработки или механического ударного воздействия. В табл. 1.1 показаны технологические назначения и эксплуатационные результаты использования известных методов формирования поверхностного слоя без изменения его толщины.

Таблица 1.1 - Технологическое и эксплуатационное назначение основных видов _модификации свойств поверхностного слоя_

№№ п/п Технологический прием Назначение Источник информации

Технологическое Эксплуатационное

Основное Сопутствующее Основное Сопутствующее

1 2 3 4 5 6 7

1 Термообработка в 39, 46, 48, 54,

печи: 72, 84, 92, 93,

133, 136, 137,

141, 143, 209,

214 и др.

- закалка и отпуск Повыше- Диффузи- Повыше- Обеспе-

ние твер- онное ние изно- чение чи-

дости насыщение соустой- стовой

чивости обра-

ботки

-нормализация и Снижение Выравни- Повыше- Повыше-

отжиг твердости вание ние ние уста-

внутренних надежно- лостной

напряже- сти прочно-

ний сти

Продолжение табл. 1.1

-химико- Повыше- Улучшение Повыше- Защита от

термическое ние твер- трибо- ние изно- внешних

дости техниче- соустой- воз-

ских ха- чивости действий

рактери-

стик со-

прягаемых

деталей

2 Термообработка 30, 70, 71, 72,

лучевыми мето- 84, 94, 129,

дами: 139, 141, 163,

164 и др.

-плазмой

Повыше- Изменение Повыше- Повыше-

ние твер- состава и ние изно- ние уста-

дости структуры состой- лостной

поверх- кости прочности

ностного

слоя

-лазером

Повыше- Легирова- Снижение Повыше-

ние твер- ние износа из- ние кон-

дости поверх- делия тактной

ностного прочности.

слоя Улучшение

триботехни

ческих

параметров

3 Механическим Наклеп Получение Повыше- Улучшение 17, 67, 91,

упрочнением поверх- сжимаю- ние уста- три- 109, 181, 166,

ностного щих лостной ботехни- 196 и др.

слоя микро- прочно- ческих

напря- сти параметров

жений

Снижение Улучшение

шерохо- товарного

ватости по- вида из-

верхност- делий

ного слоя

Окончание табл. 1.1

Направленное формирование тонкостенных изделий

1.1.1 Обеспечение требуемых эксплуатационных характеристик изделий путем модификации поверхностного слоя термообработкой в печи

Этот вид формирования поверхностного слоя на большинстве металлов изучен достаточно подробно и применяется во всех отраслях машиностроения.

Основные технические показатели для некоторых сталей приведены в табл.

1.2.

Таблица 1.2 - Технологические показатели термообработки в печи

№№ Вид обработки Технологические показатели Примечание

п/п Твердость поверхностного слоя, НЯС Глубина измененного слоя, мм Время выполнения операции, мин

1 Закалка с отпуском (сталь У10А) 55-58 40-60 (до 120) Закалка и отпуск в воздушной среде

2. Отжиг и нормализация (сталь У10А) 20-32 600-1000 Отжиг полный

3. Цементация (сталь 18ХНМА) До НУ 10000 До 1,6 240-1000 В твердом карбюризаторе

4. Азотирование (сталь 38ХМЮА) До НУ 12000 До 0,8 (0,6) 300-3600 В газовой среде

5. Цианирование (сталь 38ХМЮА) До НУ 14000 До 1,0 (0,7) 200-500 В жидкой среде

Покрытия, получаемые химико-термической обработкой

Для упрочнения поверхностных слоев изделий в промышленности в качестве материала широко используется недефицитный недорогой сплав с дальнейшей обработкой его поверхности химико-термическим методом [39].

Получившие распространение технологии химико-термической поверхностной обработки открыли возможность эффективного изменения свойств поверхностного слоя путем изменения его химического состава с управляемым получением требуемых достижимых эксплуатационных свойств поверхности изделия. Метод химико-термической обработки позволяет изменять свойства поверхностного слоя материала в направлении от поверхности к сердцевине за счет диффузионного насыщения поверхностного слоя элементами, находящимися в атомарном состоянии и способными растворяться в материале детали. За счет этого повышается износостойкость деталей машин (в основном путем увеличения твердости поверхностного слоя). Кроме того, достигается повышенный уровень остаточных напряжений сжатия, что способствует росту сопротивления усталости. Отдельные виды химико-термической обработки (например, азотирование) повышают антикоррозионную стойкость деталей, работающих при нормальных и повышенных температурах.

При химико-термической модификации поверхностного слоя происходят три одновременно протекающих процесса: диссоциации, адсорбции и дифузии.

Образование активных, способных диффундировать атомов насыщающего элемента (например, углерода) характерно для диссоциации.

На границе активного вещества (например, газа) и материала детали происходит поглощение в процессе адсорбции активных атомов поверхностного слоя основного металла (хемосорбция).

Перемещение адсорбированных атомов от поверхности вглубь обрабатываемого металла (изделия) свойственно диффузии, в результате которой образуется поверхностный (диффузионный) слой с повышенным градиентом концентрации насыщающего элемента в направлении от поверхности вглубь металла. Образование этого слоя влечет за собой изменение структуры металла, его свойств, сопровождающиеся возникновением твердых растворов или фазовыми превращениями.

Толщину диффузионного слоя определяют измерением расстояния от поверхности до глубины, где устанавливается заданная твердость, или от поверхности до межфазной границы.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Сафонов Сергей Владимирович, 2018 год

К источнику тока

4

©-1

Рисунок 2.6 - Схема очистки металлических гранул (рабочей среды): 1-металлические гранулы; 2-металлическоя плита; 3-электроды; 4-регулятор напряжения

На рис. 2.6 рабочая среда 1 в форме гранул, например, шаров, подается к поверхности плиты 2. Переменный или постоянный ток прямой полярности поступает на электроды 3 от источника тока с регулятором напряжения 4.

Рабочую среду с гранулами смешивают с жидкостью, слабо проводящей ток, например с промышленной водой, после чего на поверхности гранул образуется влажный токопроводящий осадок. После включения источника тока повышают напряжение с нуля на электродах до регистрации на амперметре тока. Затем подают рабочую среду с жидкостью к плите. Пропускают ток через электроды и рабочую среду, где в результате реакции на поверхности гранул возникает газ (на катоде - водород), который отталкивает от поверхности гранул продукты обработки, образующиеся при анодном удалении припуска. Количество таких продуктов может достигать нескольких граммов в минуту. Их удаление обеспечивает поддержание стабильной энергии соударения и степени наклепа поверхности. Регулятор напряжения поддерживает этот показатель не выше границы пробоя промежутка между гранулами и плитой, превышение которого нарушает эффективность процесса упрочнения. На этой границе могут появляться неопасные для стабильности процесса кратковременные пробои, проявляющиеся в виде всплесков тока на амперметре. Для проведения очистки используют униполярный ток. Здесь технологическая среда используется как катод. Применяют также переменный ток, где удаление продуктов обработки происходит в паузах между действиями отрицательной полуволны тока. Кроме того имеет место по тому же механизму удаление загрязнений, не связанных с продуктами обработки. Представленные изобретения позволяют осуществить достижение заложенных в процессе отработки технологичности эксплуатационных показателей и создать методы совершенствования поверхностного слоя.

2.4 Процедура достижения поставленной цели

Разработана программа решения поставленных задач и достижения цели работы, где рассматривается не только последовательность этапов, но и закладываются основы автоматизации проведения исследований, что позволяет сократить сроки выбора и проектирования рациональных комбинированных процессов, обеспечивающих достижение требуемых эксплуатационных характеристик изделий.

Для достижения поставленной цели работа выполнялась в несколько этапов:

- изучение состояния вопроса по воздействию на поверхностный слой материалов для повышения эксплуатационных свойств изделий, где рассматривались, в основном, имеющиеся способы модификации поверхностного слоя, изменение толщины покрытий с использованием однородных и многокомпонентных материалов. Проводилась укрупненная оценка полезного воздействия поверхностного слоя на повышение основных эксплуатационных показателей. Здесь же анализировались недостатки известных способов и уровень их значимости для результирующей оценки полезности используемых технологий;

- формулировка цели работы, отвечающей запросам машиностроения, в основном для оборонных отраслей, создание летательных аппаратов и возможности распространения достигнутых результатов на промышленные товары народного потребления;

- формирование задач, решение которых обеспечивает достижение поставленной цели. Здесь учитываются возможности известных технологических процессов, требования заказчиков и разработчиков новой техники;

- анализ возможных направлений повышения эксплуатационных характеристик изделий за счет создания новых способов формирования поверхностного слоя с учетом ограничений по востребованности создаваемых технологических процессов, времени, требуемого на их исследование;

- выявление основных направлений исследований и предварительная оценка их результатов с учетом затрат, технического обеспечения, перспективности использования;

- разработка научных гипотез, наиболее полно учитывающих возможности и ограничения создаваемых способов, на базе которых возможна разработка технологических процессов, обеспечивающих требуемые показатели перспективной техники;

- анализ изобретений по тематике работы и выявление действующих охранных документов отечественных и зарубежных специалистов. Учитывается возможность использования запатентованных базовых разработок, целесообразность их приобретения, направление проведения исследований по созданию собственных охранных документов;

- оценка достаточности технической базы для решения текущих и перспективных задач. Рассматривается не только собственное оборудование, но и потенциал вузов, научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро, предприятий малого и среднего бизнеса. Результатом является технико-экономическое обоснование варианта решения задач и возможности финансового обеспечения выполнения работы. В ряде случаев возможно проектирование и утверждение бизнес-проектов по проблеме;

- поиск и обоснование обобщенных принципов оценки полезности известных и разрабатываемых методов воздействия на поверхностный слой с целью значимого повышения (желательно до предельно достижимого) уровня эксплуатационных показателей изделия;

- создание механизма оценки и управления выбором воздействий, обеспечивающих наибольшее повышение полезных свойств и снижение негативного влияния на эксплуатационные свойства изделий. Это позволяет без дорогостоящих дополнительных исследований (не всегда гарантирующих положительный результат) оптимизировать наиболее эффективные исследования и выбор известных технологических процессов, что может сократить сроки и

затраты на реализацию воздействий, требуемых разработчиком для изделий новых поколений техники;

- использование комбинированных технологических процессов, объединяющих несколько видов воздействий, для достижения требуемых эксплуатационных показателей изделий, заложенных разработчиком и согласованных с изготовителем в процессе отработки технологичности. Здесь необходим комплексный анализ ожидаемых результатов и обоснованный выбор возможных видов воздействий из числа разрабатываемых, применяемых для совершенствования поверхностного слоя металлических изделий;

- моделирование процессов, протекающих при модификации свойств и в процессе нанесения или удаления покрытий, что позволяет создать методологию проектирования технологических процессов, в том числе, комбинированных, где воздействия не всегда могут оцениваться количественно, поэтому здесь наиболее приемлемой является количественная оценка с использованием булевых переменных. В результате могут быть установлены принципы построения типовых технологий, наиболее полно обеспечивающих достижение заданных эксплуатационных показателей при модернизации созданных и освоении перспективных технически сложных изделий;

- разработка типовых технологических процессов, направленных на совершенствование поверхностного слоя материалов и достижения изделиями эксплуатационного уровня.

Применение алгоритма на рис. 2.7 позволяет ускорить выполнение исследований, намеченных в работе, автоматизировать процедуры, оценить потребность в материальной базе и обеспеченности финансированием разработки новых способов и технологий совершенствования поверхностного слоя.

Рисунок 2.7 - Алгоритм проведения научных исследований для достижения

поставленной цели

Выводы по главе 2

1. На базе проведенного анализа состояния вопроса по тематике работы были обоснованы и сформулированы рабочие гипотезы, которые являются основой для разработки методики решения поставленных задач.

2. С использованием рабочих гипотез разработан новый обобщающий принцип полезности оценки возможных воздействий на поверхностный слой, которые могут обеспечить повышение эксплуатационных показателей изделий, в ряде случаев достигающих теоретически возможного предела.

3. Предложен принцип критериальной оценки уровня полезности возможных технологических воздействий на поверхностный слой изделий, что позволило установить наиболее перспективные (как правило, выполненные на уровне изобретений) способы, определяющие направления исследований по совершенствованию поверхностного слоя.

4. Проведен выбор новых способов воздействий на поверхностный слой, что дает возможность наметить пути проектирования эффективных технологических процессов. Это позволило создать базу для построения методологии проектирования технологических процессов воздействия на поверхностный слой с учетом достигнутых и перспективных эксплуатационных показателей.

5. Разработан алгоритм выполнения работы, обеспечивающий достижение поставленной цели. В алгоритме учтены основные этапы исследований, последовательность выполнения работы, ограничения при анализе полезности выбранных решений, роль заказчика изделий при выборе или разработке новых технологических процессов.

ГЛАВА 3 МЕХАНИЗМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ С ЦЕЛЬЮ УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ИЗДЕЛИЙ

3.1 Критериальная система проектирования и использования технологических процессов для повышения эксплуатационных характеристик поверхностного слоя [145, 150]

В основе системы лежит принцип полезности, сформулированный в главе 2.

Для критериальной оценки уровня полезности введены следующие обозначения:

Пр1, Пр2.....Прп - показатели заданных разработчиком эксплуатационных

характеристик перспективного изделия, зависящие от состояния их поверхностного слоя;

п - количество значимых показателей, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики изделия;

По1,По2,...,Поп - достигнутые показатели на современном уровне развития технологии;

Пд1, Пд2,..., Пдп - показатели достижимых перспективных технологических методов и средств повышения эксплуатационных характеристик за счет совершенствования поверхностного слоя;

Ко1, Ко2,..., Коп; Кд1, Кд2,..., Кдт - векторные показатели критерия полезности технологического воздействия на достигнутый и достижимый эксплуатационный показатель, определяемый свойствами поверхностного слоя;

т - количество технологических воздействий, требуемых для совершенствования эксплуатационных характеристик изделий за счет изменения их поверхностных свойств;

К1, К2, ... , Кт - положительные векторные показатели критерия полезности, получаемые от применения технологических средств

совершенствования поверхностного слоя при воздействии на достигнутый уровень эксплуатационного показателя изделия;

К1, К2, ... , Кт - векторные показатели критерия полезности, оценивающие возможность снижения эксплуатационных показателей от применения технологического воздействия на поверхностный слой изделия критериями использования технологических воздействий на поверхностный слой изделия являются

Результатом оценки полезности различных воздействий будут критерии, приведенные в (3.1), (3.2) и (3.3), где учтено как положительное влияние технологических решений (условие (3.1)), так и негативное изменение технико-экономических показателей (условие (3.2)), в том числе с учетом взаимного воздействия факторов Кг , Къ ... Кп , Кп. Однако во всех случаях граничные условия (3.3) должны выполняться.

Для разработки концепции выбора или основания необходимости проектирования нового технологического процесса требуется применение и создание новых методов и средств, учитывающих эксплуатационные показатели, достигаемые за счет модификации и изменения характеристик поверхностного слоя и (в ряде случаев) одновременного изменения его толщины.

Управление процессом назначения и выбора методов модификации или изменения геометрии слоя может выполняться с использованием теории подобия [20] и нестрогого предпочтения [179]. Для критериальной оценки предпочтительного выбора средств внешнего воздействия следует использовать накопленный потенциал средств информации при экспертной оценке выбора исполнителем (нередко в режиме диалога) и теории множеств.

Къ К2, ... , Кт ^ max,

Къ К2, . , ^ min, Общий критерий полезности имеет вид:

(3.1)

(3.2)

Ко i (коi ^ Пръ Ко 2 ( Ко 2) П0 2 ^ Пр 2 5

(3.3)

Если По1>ПрI, то для «{» технологического воздействия принимается ПрI = ПдI и согласовывается с разработчиком возможность снижения заданных эксплуатационных показателей до уровня Пд*. Здесь может быть несколько вариантов:

- согласиться с использованием технологических воздействий достигнутого уровня;

- предоставить технологам время на разработку новых методов и средств для совершенствования поверхностного слоя и достижения первоначально заданного уровня эксплуатационных показателей изделий;

- использовать комбинированные технологии, учитывающие при одновременном воздействии на показатели слоя нескольких способов

Кт 1 (По! ) + кт± (По2) + . . . + кт± (Пот) -> ктах (Под (3.4)

где т = п+ — пт = 1 — т, I = 1 —т;

п+, п~ - положительные и негативные показатели при внешних воздействиях.

Изучаемую выборку действия внешних воздействий на состояние поверхностного слоя можно ранжировать по одному (главному) или нескольким эксплуатационным показателям. Тогда формируется непрерывная (или кусочно-гладкая) функция, которая для положительных воздействий становится выпуклой и имеет вид:

По * ( Ко д = ехр ( пгК2д . (3.5)

Показатели, снижающие воздействия, описываются вогнутой функцией

вида

<Р (По д = — Я (3.6)

где - оператор, который представляет совокупность монотонно изменяющихся функций, где критерием является

<Р(По 1ЯиТЬ) > <р(Пои%,ть), (3.7)

где Т1 - время действия на объект для достижения требуемого (или ожидаемого) эксплуатационного уровня.

Сочетание различных видов воздействий (К о) должно дать

Ктахо > КоАПод > ПТ (3.8)

По I

Если применять комбинированные воздействия, то Ктахо — К^тахо.

3.2 Временные и экономические граничные условия применения выбранного

технологического воздействия

3.2.1 Освоение процесса

Период времени (т 0) от выбора вида технологического процесса до его реализации в изделии может быть весьма длительным, но он не должен превышать установленного срока запуска (ту) нового объекта в производство

т0=тпп + т1 + тк + ти + тд<ту, (3.9)

где - время подготовки производства для использования технологии

совершенствования поверхностного слоя для повышения эксплуатационных показателей изделия;

- время изготовления первой детали с новым поверхностным слоем;

тк - трудоемкость контроля первой детали;

ти - трудоемкость испытаний изделия (или детали) изготовленной по новой технологии;

д - период доработки (если требуется) используемого технологического процесса.

3.2.2 Технико-экономическое обоснование процесса

Эффективность выбора требуемого способа изменения в нужном направлении воздействия на поверхностный слой материала зависит от минимизации требуемого объема информации, обеспечивающей условие

По 1>пр ь

где П - может быть единичным или обобщенным показателем.

Граничным показателем оценки полезности является себестоимость разработки или адаптации к конкретному изделию достижимого показателя (Пд i), которая оценивается через стоимость (С) выпускаемого объекта производства. Для этого должен выполняться критерий

С — тin при Пдi — max. (3.10)

Показатель С изменяется по эскпоненциальной зависимости вида

С=ехр[f СПдъПд2, • ■ -Пдт)] , (3.11)

где f СПдг , Пд2, ..., Пдт) - функции факторов Пдг , Пд2, ..., Пдт, влияющих на полезность технологических воздействий.

Для получения численных оценок каждого показателя следует линеализировать зависимость (3.11) через полином П:

c = Ki f i СПдi) = Ki Пйт f П). (3.12)

Решение возможно путем наименьших квадратов путем установления минимума в (3.10). Для этого используют матричный метод в виде

СХ'Х) А = ХГ, (3.13)

где Х' - матрица исходных независящих друг от друга достигаемых эксплуатационных показателей;

Х - матрица достигнутых показателей; А - матрица коэффициентов полезности; Y - матрица заданных показателей. Тогда

"" По1 Пог П 0 2 По 2

А =

К2

К

71

X =

П П

Y =

П

V1

П

V 2

П

рп

(3.14)

В (3.14) Пд - комплексный показатель критерия полезности, достижимый за счет нескольких технологических воздействий. Матрица исходных данных имеет вид

Пд 1 П> 1 Пд 2 Пд 2

(3.15)

X =

Пд Пд

Решение уравнения (3.13) выполняют в виде обращения матриц

А = (XX ) " 1(Х Г) ,

где (XX) - обратная матрица, позволяющая при проектировании новых технологий учесть прямое воздействие применяемого способа на эксплуатационный показатель (или показатели) и создать систему адаптивного управления процессом совершенствования состояния поверхностного слоя изделий.

При оценке эффективности выполнения научно-исследовательских работ (НИР) срок окупаемости средств оценивают как ожидаемый экономический эффект, полученный в период реализации изделий, что может быть установлено по маркетинговым исследованиям.

Научный подход к обоснованию целесообразности применения или разработки технологического воздействия с учетом критерия полезности включает:

- идею (например, патент). В этом случае требуется экспертная оценка предложения специалистами или эксперименты, подтверждающие возможность применения идеи. Экономическое обоснование здесь неубедительно, а степень риска потери вложенных средств велика. В рассматриваемом случае целесообразно проводить поэтапное финансирование работы с увеличением объемов по мере получения результатов от использования заявленного решения;

- предлагаемый способ или устройства проверяют на предмет осуществимости идеи. Разработка технологии изготовления или создание конструкции нового изделия требует дополнительных затрат на проведение исследований. По результатам экспертизы может понадобиться корректировка сроков выполнения и размеров финансов для выполнения исследований по работе, а также установление величины экономического эффекта;

- если по результатам проверки требуется доработка идеи под новые изделия, то после этого экономический эффект удается рассчитать достаточно точно.

Расчет экономического эффекта ( ) от использования известного или разрабатываемого технологического процесса можно оценить по зависимости [93]

Э = Р — 3, (3.16)

где Р - суммарный доход при использовании результатов исследований;

3 - затраты, необходимые для работы и внедрения результатов, отнесенные к расчетному периоду.

Результаты научно-исследовательской работы приносят доход в течение нескольких лет (в течение времени выпуска созданного изделия и за счет дохода в процессе эксплуатации (повышение ресурса, сроков хранения и др.)), поэтому при расчете эффекта результаты приводятся к единому расчетному году ( *р). Для этого должны быть известны критерии полезности [155, 159], с использованием которых расчетывают величину дохода и затраты в исследуемый период использования результатов. Коэффициент приведения ( аг), учитывающий уровень полезности, может быть рассчитан по формуле

а , = ( 1+Ен) ( гр — г) , (3.17)

где - нормативный показатели приведенных затрат и результатов их

использования (Ен=0,1);

t - год, для которого приводятся затраты и результаты.

Для расчета экономического эффекта от использования результатов НИР требуются следующие исходные данные:

1. Расчетная величина затрат на НИР ( ). Из опыта прошлых работ намечают период выполнения работы, штат работников с заработной платой и дополнительными оплатами, накладные расходы, затраты на оснащение, командировки. Суммируют затраты, устанавливают сроки выполнения НИР, условия сдачи результатов заказчику.

2. Затраты заказчика на подготовку производства для использования результатов НИР. Сюда входит приобретение или изготовление оборудования, средств технологического оснащения, их установка и запуск, обучение персонала, доводка новой технологии или конструкции, испытания (если это требуется),

сопровождение при эксплуатации, сбор информации. Это требует затрат 3 2.

3. Срок ( ) использования созданных технологий или изделий на одном или нескольких предприятиях, которые созданы в результате выполнения НИР.

4. Программа ( Ы) выпуска (по годам) изделий, где применяются НИР и себестоимость единицы продукции до использования результатов НИР ( ) и после выполнения работы ( ).

При выборе программы ( ) выпуска изделий следует руководствоваться следующим: выбрать реальную потребность в намеченных к производству изделий с запрошенными эксплуатационными показателями изделиях и оценить их минимальное количество ( ).

Ы = Ы1-п< ЫШп, где Ы1 - программа выпуска рассматриваемого изделия;

п - количество наименований аналогичных изделий.

5. Сведения о текущих издержках на изделие после использования результатов НИР ( ).

6. Для оценки затрат на средства и орудия труда долговременного применения вводится коэффициент реновации

кр = (^' (318) где t 0 - срок службы средств и орудий труда долговременного применения.

Эффект от использования НИР будет рассчитываться по формуле

Р-З

Э = ———, (3.19)

Кр+Ен У J

Здесь 3 - затраты на внедрение результатов НИР;

Р = £гаи (3.20)

где - доход от использования результатов НИР в -м году;

1Н - начальный год расчетного периода; - конечный год расчетного периода.

Начальный год - период начала финансирования проекта (в т.ч. по НИР).

Конечный год - время завершения использования результатов проекта (НИР), что составляет жизненный цикл, включающий разработку, освоение, серийное производство, использование объекта. Конечный год может быть ограничен нормативным ресурсом изделия, сроком службы (оборудование, средства технологического оснащения и др.), обновления номенклатуры изделий (запуск новых типов, поколений летательных аппаратов, смена типов запорной аппаратуры, переход на новые товары народного потребления и др.). В каждой стране имеются свои нормативы использования результатов НИР. Обычно для наукоемких изделий принимают 5-6 лет, для оборудования - 8-10 лет, для товаров народного потребления - 10-15 лет.

При оценке дохода Р1 учитываются основные результаты Р1о и сопутствующие

Рь=Р г0+Рг с. (3.21)

Для новых предметов труда, созданных с применением результатов НИР

Р =(3-22)

где - оценка результатов использования новых предметов труда (в денежной оценке, времени использования в течение -ого года);

и\ - оценка созданных предметов труда (объектов, выпускаемых с использованием результатов НИР) на единицу продукции;

Ц - цена единицы продукции после использования результатов НИР в расчетном году.

Если результаты НИР используются для совершенствования технологий, оборудования, других объектов длительного пользования (например, нефтегазовой, бытовой техники), то

Р1о=Цг-Вг-Пг, (3.23)

где П - охват созданных средств труда в расчетном году (выработка в единицу времени и др.).

Затраты на разработку и освоение нового процесса, изделия (в том числе на выполнение НИР, защиту интеллектуальной собственности) в формуле (3.19).

3 = 3ш+3,и, (3.24)

где 3Ьп - затраты на производство продукции за расчетный период;

3Ы - эксплуатационные затраты за расчетный период.

Сюда не включаются затраты на реализацию готовой продукции (внешние накладные расходы)

3ы = 11кн (Т, + К, + Ос) ъ, (3.25)

где - текущие издержки в производстве за расчетный год (не учитываются амортизационные отчисления на реновацию);

- единовременные затраты (в т.ч. капитальные вложения) в расчетном

году;

- остаточная стоимость (ликвидационное сальдо) основных фондов, выбывающих в расчетном году.

3.3 Критериальная оценка достижимого уровня полезности

Для решения задачи о суммарном действии внешних воздействий и достижения экстремального значения уровня полезности необходимо:

- наличие значений , после чего производится оптимизация показателей методом линейного программирования;

- если используется ограниченная выборка (что, как правило, происходит на практике), то применяется метод дискретной оценки воздействий, в том числе при комбинированном использовании таких воздействий. Здесь могут быть созданы обобщенные показатели П0¿, соизмеримые с Пр^ и Пд^, т.к. усредненные значения шкалы полезности более строго нивелируются среди этих показателей;

- упрощенной оценкой уровня полезности одного из заданных разработчиком главного эксплуатационного показателя (П р ¿) без учета положительных воздействий других технологических методов. Этот метод оказался наиболее востребованным, хотя и дает весьма приближенные результаты.

Технология реализации критериев воздействия технологических методов воздействия базируется на булевых переменных, которые открывают возможность оптимизировать различные воздействия с получением единственного критериального показателя полезности Пд .

Алгоритм построения системы критериальной оценки уровня полезности приведен на рис. 3.1.

Здесь, как правило,

К0; {П0д < Кр,{Пр,) < ЛдгШд1). (3.26)

Алгоритм на рис. 3.1 дает возможность систематизировать отдельные воздействия с возможностью удаления негативных изменений в структуре комбинированных процессов, установить экспериментальные значения по достижению эксплуатационных показателей, обосновать допустимые временные границы освоения новых технологий с учетом их использования для перспективных изделий нового поколения наукоемкой техники, определить возможные затраты и эффективность применения известных и разрабатываемых способов формирования поверхностных слоев с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Обоснованность выбранного по рис. 3.1 метода технологического воздействия на состояние поверхностного слоя зависит от информационной базы (базы знаний), которая должна постоянно пополняться по мере освоения новых изделий. Оценку достаточности имеющейся информационной базы можно выполнить по общему показателю Р [178]:

Р = Е ?КдПд; (Е ?(КрПрi - К01 П 0,)) йт, (3.27)

где р - доля /-го воздействия относительно заданного разработчиком.

Если ± J*(21(КрПi - К01П 0i)) dт — 0 , то

Р - тах (3.28)

Тогда функция Р становится функцией насыщения и может быть решена по зависимости

Р = 2 ?Кд i Пд i -21 (Кр i Пр i - Ко По i) ■ т ( 1 - е - П — тах, (3.29) где д - показатель интенсивности роста Р.

Решение уравнения (3.29) выполняется методом подобий [20]. Здесь аппроксимация может быть выполнена по аналогии с управлением электрическим полем [178]. Условие КдiПдi — тах отвечает зависимости, свойственной апериодичному регулятору, который позволяет минимизировать время стабилизации параметра (в нашем случае время реализации известных (П0 i) или разрабатываемых (Пд ) показателей воздействий

т = Ку (Кд i — Кр i) dT, (3.30)

где Ку - коэффициент, учитывающий взаимное влияние технологических воздействий.

Решение (3.30) имеет вид

Кр i = KyKdi( 1-еV ) , (3.31)

где тд - период времени, необходимый для разработки и освоения перспективного способа воздействия;

т0 - период доработки и освоения имеющегося способа воздействия; - время освоения способа воздействия.

Рисунок 3.1 - Алгоритм критериальной оценки уровня полезности технологических воздействий на эксплуатационные показатели изделий

Критерии, определяющие полезность воздействий на поверхностный слой изделий, приведены в табл. 3.1. Здесь укрупненно показана критериальная оценка основных воздействий, часть которых может изменять вектор воздействия в зависимости от условий применения способа.

Таблица 3.1 - Критериальная оценка вектора полезности различных видов

технологических воздействий

Виды воздействий Способы воздействий Вектор полезности на эксплуатационные показатели изделий (+ - повышение, - -снижение, 0 - не оказывает существенного воздействия, оо - влияет при особых условиях)

Восстановление исходных эксплуатационных свойств Жаростойкость Износостойкость Усталостная прочность Защита от внешних воздействий Придание новых эксплуатационных свойств

1 2 3 4 5 6 7 8

Без изменения поверхностного слоя Химикотермическое * 0 0 + + + оо

Виброупрочнение 0 0 0 + оо оо

Со снятием:

- припуска МО** и ЭМО*** + 0 оо - - +

- покрытия Магнитовибрационное удаление толстых покрытий + 0 оо 0 0 +

С наращиванием:

- однородного слоя ЭЭП**** 0 + + - + +

Лазер 0 + + 0 + +

Ионоплазменные (ИП) 0 0 + 0 0 +

- слоя с гранульными включениями Лазер 0 + + оо оо оо

ИП 0 + + оо + оо

эх***** оо + + - 0 оо

* электроэрозионное легирование в среде жидких газов

**МО - механическая обработка

***ЭМО - электрические методы обработки

****ЭЭП - электроэрозионное покрытие

***** ЭХ - электрохимическое покрытие

В табл. 3.1 не рассматриваются общеизвестные технологические приемы (например, цементация, азотирование, цианирование), достаточно полно освещенные в справочной литературе. Значительная часть технологических способов и воздействий, приведенная в таблице, находится на уровне изобретений и пока слабо изучена, хотя их применение в перспективных изделиях весьма предпочтительно.

При наращивании однородного слоя (табл. 3.1) удается получить новые свойства материалов при сохранении или восстановлении полезных свойств (коэффициентов полезности) за счет химического и термического воздействия при покрытии материалов, не обладающих, например, высокой степенью защиты от внешних факторов (в частности, коррозии в агрессивных средах), что необходимо для двигателей, работающих с агрессивными топливами.

Включение гранул в покрытия (табл. 3.1) открывает возможность переносить их особые эксплуатационные характеристики на всё изделие, сохраняя при этом полезные свойства основного материала. Примером может служить нанесение высокотемпературного покрытия из чугуна на легкоплавкий алюминиевый сплав, имеющий более низкую удельную массу, но слабую защиту от действия агрессивных сред и малую износостойкость.

Более подробно эксплуатационные характеристики изделий с измененными свойствами поверхностного слоя приведены в [150].

3.4 Особенности моделирования процесса проектирования технологии модификации и изменения толщины покрытий

В работе [143] выявлено, что разработка комбинированных технологических процессов, позволяющих обеспечить максимальные эксплуатационные требования изделий, возможна в том случае, если научно обосновать выбор известных и ранее разработанных технологий, целенаправленно проектировать передовые технологии, методы модификации

поверхностного слоя и нанесение покрытий различной толщины с перенесением на деталь необходимых эксплуатационных показателей.

Базой для проектирования новых технологических решений служит моделирование процессов за счет оптимального выбора, как единичных, так и комбинированных воздействий [156, 158].

Проектирование модели может успешно выполняться в том случае, если обоснованы входные и выходные данные, определяющие ее назначение для разработки оптимальных технологических процессов, особенно при изготовлении новых современных образцов наукоемкой продукции (авиационная и ракетно-космическая техника, современные транспортные машины и т.п.).

Основу модели составляет научная концепция о возможной совместимости различных воздействий с помощью критериального выбора и принципа полезности.

Входные данные для проектирования модели:

1. Наличие банка данных существующих технологических процессов модификации поверхностного слоя и нанесения или снятия покрытий для получения необходимых эксплуатационных показателей изделий.

2. Возможность проектирования перспективных методов и средств модификации и изменения геометрии поверхностного слоя с целью достижения требуемых разработчиком эксплуатационных характеристик изделий в заданные сроки их создания.

Граничные условия для построения модели:

1. Максимально возможные эксплуатационные показатели изделий с модифицированным поверхностным слоем.

2. Технико-экономическое обоснование финансовых и временных затрат на проектирование новых технологий.

3. Необходимость применения требуемых технологий на стороне.

4. Наличие собственных требуемых методов и способов, защищенных охранными документами.

Построение модели может осуществляться с помощью задачи многокритериальной оптимизации с переменными Буля [156, 156, 206]. Процесс моделирования опирается на критерии, описанные в [155, 159]. Итоговый результат ( R) синтеза ( i) всех технологических воздействий на изделие (U):

RŒ ®ип,пЕПр, (3.32)

где ® - декартово произведение, i = 0 ,Прi - множество возможных методов модификации поверхностного слоя для заданного изделия; Пр - параметр конкретного изделия U, заложенный разработчиком, где главное воздействие оказывает П рi, где П рi _ заданный показатель критерия полезности i -го воздействия; R _ результирующий показатель комбинации всех воздействий; п -количество применяемых воздействий.

Технология воздействия на поверхностный слой может быть выражена через множества ( )

i œ[тщ; i Е m} (3.33)

где - множество технологических воздействий, применяемых в

рассматриваемых технологических процессах модификации и изменения геометрии поверхностного слоя; - количество новых максимально достигаемых внешних воздействий для улучшения эксплуатационных характеристик изделия.

Возможную реализацию технологического процесса можно выразить

Пр iŒR®n0 i (3.34)

где П0i _ достигнутый показатель критерия полезности i -го воздействия при совместном сочетании воздействий

П0 i = ( R i,Ki) (3.35)

где R i _ результирующий показатель комбинации единичных или комбинированных технологических воздействий;

Ki _ показатель, оказывающий положительное воздействие на П1 ; - показатель, оказывающий отрицательное воздействие на П .

Процесс проектирования технологического процесса модификации и изменения геометрии поверхностного слоя с целью достижения повышенных эксплуатационных характеристик строится на закономерности

<Я¿, Кд¿) = а ехt Р{ Т с (Я, К) 8 Пд¿} = Пр¿, I £ п, (3.36)

где Р - возможность положительного влияния факторов (К0 i ; Кд i ); Т - функция, определяющая связь между внешним воздействием и основным эксплуатационным показателем, влияющим на показатели поверхностного слоя.

Функция (3.36) устанавливает выбор технологических воздействий для выполнения максимального уровня полезности

Тд[ ( I = 1 ,т), где КдI( 1 ,ш). (3.37)

Методология проектирования технологии выполняется с учетом возможностей достигнутых и достигаемых единичных или комбинированных одновременных воздействий в несколько этапов:

1. Выявление количества допустимых вариантов ( Я ) с учетом введенных ограничений и входных данных. (Т - допустимый технологический процесс из множества имеющихся (Т).

Я £ Я (3.38)

Т £ Т (3.39)

2. Сравнительный анализ применяемых отдельных внешних воздействий

<Я" Т> при Я (8) Т (3.40)

3. Вероятность разработки допустимого технологического процесса ( ) при применении комбинированных воздействий.

4. Синтез воздействий приемлемых технологических процессов (Т) при условии

Кд£ ^ тах; К, { ^ тт.

В первую очередь осуществляется набор групп внешних воздействий Я £ Я, Т £ Т, обеспечивающих П0 или Пд.

Для каждого изделия (и) определяется минимальное количество технологических воздействий ( Т ¿) .

Для достигнутых показателей (П0 ¿)

noi= argmin£?=15iT; i = 1,п{

Тлил, SiT >1; i = l,n

Для достижимых (Пд I)

Пд; = а rg т 1 п £? 81т ; I = 1, т 1 I? «¿г > 1; I = 1,т ] Здесь Пд ^ - достижимый показатель воздействия; а л — переменные Буля, выявляющиеся по критериям:

^ _ | 1, е сл и Ъ вход и т в Т ЕТ 1Т I 0 , есл и не вход ит 1, есл и Т^Т

aiT =

I 0 есл и н е пр инадл ежит

(3.43)

Анализ технологических воздействий определяют по зависимостям, приведенным в табл. 3.2.

Таблица 3.2 - Выбор факторов при проектировании различных технологических

процессов

Описание процесса Разновидность технологического процесса

С единичным (генеральным) воздействием С применением комбинированных воздействий

Логические связи Анализ по главному (генеральному) воздействию Анализ комбинированных воздействий на заданный эксплуатационный показатель

Зависимости для формализации связей Тд 1 и 1 при 1 = 1 ,т 1 Е Тд ^1; 1 = 1 ,п

Критериальный выбор технологий и .........Т дт и п) ±и± .........Т дт ит)> (Т01иь .........^от^т)

Во вторую очередь обосновывается выбор одного главного (генерального) воздействия F.

(Sin, sim) = argmaxP (4>ь Sin, Sim) = F¿; i £ n, i £ m U с argmin Koi; i = l,n YHnSin = 1; i = l,7i

= 1; i = l,m

Пó ¿ > Пo ¿ (Кд¿) ;Пo i > Пp¿; ¿ ¿ o - 1,n ; ¿p ¿ - 1,n; ^ ¿ - 1, m

1 ,еслм ndi ( /4i) > П p i ( О, если Пo i ( Koi) < П p i ( Kpi)

Sir, =

При комбинированном воздействии нескольких факторов (табл. 3.2) необходимо упорядочивание как применяемых (п), так и новых перспективных (m) технологических воздействий. Нужно иметь в виду, что для каждого генерального показателя может оказаться несколько вариантов совместимости

воздействий, где имеют место как положительные (Zf¿ ) так и негативные (/Q ) показатели критерия полезности. После сортировки воздействий осуществляется перебор их комбинаций с учетом граничных условий и уровня полезности. В завершении проектируется технологический процесс модификации поверхностного слоя изделий.

При анализе итога взаимного воздействия различных факторов используют систему

5¿n = ar с ex t { П ¿¿ ^ ^ [ f (5¿n )]Г

Sin = П=1,п

Zji °i

'im

= 1, 771 — 1, 771

(3.45)

д

где П^ _ допустимый показатель достижимого уровня воздействия при Кдt —>max, /д t — m i n ; A - оператор входящих разностей.

Группирование воздействий n - 1 , i, т - 1 , т применением булевых переменных 5¿n и 5¿m

производится с

Полагая, что суммарное воздействие в (3.45) имеет место только в случае отсутствия внутренних преобразований (химических реакций), получаем

8*т = arg ехЬ Ч> * Кд * (Гдд 8*т Тт 8т = 1, т = Т~т Пд* ^ > По* (К)

8т = 1, если П д* а П 0*

8т = 0 , есл и П д * £ П о *

Результирующее воздействие может оказывать как положительное, так и негативное влияние на эксплуатационные характеристики при разработке

технологических процессов

71

ПоЕ <= ^ По* (Код ПРи По*

тт

П дЪ а ТтПд*(Кдд при П д * (Кд —тт (3.47)

При определении методологии проектирования комбинированных технологических процессов модификации поверхностного слоя может применяться несколько вариантов:

- при выполнении требования применения только одного воздействия, установленного разработчиком, для получения заданного эксплуатационного показателя

При этом выполняется задача линейного программирования с попарным

анализом К01 , К0к и Кд 1 , Кд[, как приведено в табл. 3.2;

- при выполнении требования для достижения эксплуатационных характеристик с помощью комбинации нескольких отдельных технологических воздействий.

При этом разработка технологического процесса осуществляется по критериям (3.46), (3.47). Оценочным показателем будет критерий

П д * ОС ) > П р*, если П д * > П 0 * (3.48)

П о * (Ког )> Пр* , если П д* < П о * (3.49)

В данном случае необходимо учитывать граничные временные и финансовые условия (при необходимости).

- при условии, что результирующий эксплуатационный показатель может быть получен с применением нескольких технологических воздействий, часть из

которых или все во время реализации технологического процесса по модификации поверхностного слоя трансформируются в новые воздействия.

В данном случае решается многокритериальная задача с уменьшением количества воздействий по зависимостям (3.41), (3.42).

3.5 Реализация механизма проектирования технологических процессов совершенствования поверхностного слоя

Проектирование системы основывается на банке данных освоенных и перспективных методов и способов в данный период времени и допустимых временных интервалов до разработки нужных заказчику процессов, обеспечивающих достижение необходимого результата (период

Тъ....., £д < £о + >

где t о - время освоения технологий для получения П - время освоения

наиболее трудоемкого достижимого показателя П д т ах-Система предусматривает:

- параметрическую адаптацию освоенных и перспективных воздействий к их возможным результатам воздействия на поверхностный слой, способствующих

получению заданных ( П р) или достижимых ( П д т ах) эксплуатационных требований;

- структурную адаптацию технологических воздействий к комбинированным процессам модификации поверхностного слоя;

- параметрическую и структурную адаптацию к освоенным ранее технологическим процессам изготовления аналогичных изделий. Для заданных (Пр), достигнутых (П о), достижимых (Пд) эксплуатационных показателей необходимы соответственно п и т воздействия. Такая система строится с учетом проектирования технологических процессов (!) при максимальном воздействии критерия полезности (К).

Кi (Т1Т2......rm ); i = 1 ,m

Кд i ; i = 1 ,m —> m i n

Кд i ; i = 1, m —> m i n

д д

Проектирование проходит в несколько итераций, которые включают:

- подробный анализ требуемых эксплуатационных показателей и уровня значимости каждого параметра при возможном применении достигнутых воздействий;

- на следующем этапе по критериям (3.36), (3.37) формализуют реальные связи и зависимости между требуемыми, достигнутыми и достижимыми показателями с учетом принятых ограничений и начальных условий множества внешних воздействий (n, m);

- для выбранных критериев полезности определяют необходимый диапазон вероятных воздействий и показателей. Проектируют возможные комбинации внешних воздействий для определения вариантов комбинированных технологий, из которых выбирают рабочий, с учетом принятых ограничений;

- детализируют процессы, с учетом выбранных воздействий, анализируют их

на соответствие критерию По(КК0 t ) —* max. Проводят технологическую подготовку производства с применением технологий, отражающих достигнутые показатели полезности;

- проводят обоснование необходимости проектирования новых

технологических процессов, учитывающих выполнение условий П д i ( К д t ) —» max;

П дi ( К дi)—* min. При этом используют принцип подобия технических систем, изложенный в [20];

- формируется необходимое программное и информационное пространство для обеспечения функционирования спроектированных технологических процессов, применяемых для модификации поверхностного слоя с заданными эксплуатационными характеристиками.

Выводы по главе 3

1. Предложенный принцип полезности позволил разработать систему критериальной оценки выбора и приоритетов разработки способов технологических воздействий на поверхностный слой изделий, что дало возможность целенаправленно улучшать характеристики объектов, работающих при высоких механических, термических внешних воздействиях, предел которых в ряде случаев близок к теоретически достижимому показателю.

2. Рассмотрены временные и затратные ограничения к созданию и использованию новых видов технологических воздействий, что является базой для математического моделирования комбинированных воздействий и проектирования технологических процессов модификации свойств, размеров покрытий поверхностного слоя изделий нового поколения, особенно для авиакосмической отрасли.

3. Моделирование процессов проектирования технологии модификации и изменения геометрии поверхностного слоя с целью повышения эксплуатационных характеристик изделий, может быть выполнено на базе математического аппарата алгебры Буля, которая открывает возможность объективно устанавливать связи между эксплуатационными показателями, заданными разработчиком и параметрами комбинированных технологических процессов. Количественные оценки в эксплуатационных показателях осуществляются по разработанным в работе критериям полезности.

4. Предложенная в работе обобщенная модель позволяет выполнять рассматриваемые принципы и отражает методологию проектирования новых технологий с применением как освоенных, так и перспективных технологических воздействий с целью модификации поверхностного слоя с прогнозированием достижения максимально возможных эксплуатационных характеристик. Это особенно важно для сокращения времени на технологическую подготовку производства при создании конкурентоспособных образцов нового поколения наукоемких изделий авиа- и ракетостроения.

5. Предложенные и обоснованные входные и граничные условия, научные гипотезы позволяют ускорить процесс эффективного поиска методов и способов технологических воздействий, проектирование и внедрение перспективных технологических процессов для модификации поверхностного слоя изделий, работающих в условиях переменных нагрузок, в том числе в агрессивных средах и при высоких температурах.

ГЛАВА 4 МЕТОДОЛОГИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИНЦИПА ПОЛЕЗНОСТИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ И СОЗДАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ТРЕБУЕМЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ИЗДЕЛИЙ

4.1 Критериальная оценка заданных показателей с возможностями технологических воздействий

Как показано в главе 3, принцип полезности реализуется путем критериальной оценки эффективности воздействий на поверхностный слой для повышения эксплуатационных характеристик изделий. Такую оценку следует использовать при отработке технологичности создаваемых изделий, в том числе для наиболее употребительных технических объектов машиностроения: режущий инструмент, детали основного производства; при ремонте и восстановлении изделий. Рассматриваются несколько уровней полезности:

- первый, оцениваемый коэффициентом , изменение эксплуатационных показателей от замены ранее используемых и принятых разработчиком технологий на известные, освоенные в промышленности

Здесь полезность оценивается с учетом степени освоения новых технологий воздействия на поверхностный слой у конкретного производителя.

При этом следует учитывать ограничения, свойственные выбираемой технологии в условиях приложения ее для конкретного изделия и промышленного потенциала предприятия - изготовителя ( Во всех случаях этот критерий включает ограничения затрат ( ) на освоение, необходимость привлечения результатов исследования НИИ, КБ, вузов, время на освоение. Для реализации критерия полезности требуется выполнение условий

(4.1)

3 < 3

о — ^р

(4.2)

(4.3)

где 30 - затраты на приобретение (при необходимости) нужных технологий;

Зр - объемы финансирования, выделяемые заказчиком на освоение рассматриваемых технологических процессов;

- временной период, запрашиваемый производителем для перестройки производства под использование предлагаемых процессов;

- период времени, ограниченный рамками освоения рассматриваемого процесса, с учетом начала поставки изделий заказчику.

В ряде случаев потребуется экономическое обоснование предлагаемых процессов, как это показано в главе 3.

- второй уровень дает количественную оценку полезности с учетом потенциала перспективных разработок, что должно давать существенно большие показатели относительно всех известных воздействий (коэффициент Кдр ).

Ограничения для обоснования принципа полезности остаются аналогичными (4.2), (4.3).

Критериальная оценка полезности различных типовых объектов производства становится базой для ускоренного подбора или проектирования технологических процессов формирования требуемых покрытий.

4.1.1 Оценка принципа полезности для металлорежущего инструмента

Инструментальное производство может базироваться на изделиях, приобретаемых у специализированных предприятий, зарубежных поставщиков. Крупные предприятия часть инструмента производят своими силами, и здесь обязательно требуются технологические процессы для повышения свойств поверхностного слоя с целью улучшения эксплуатационных показателей инструмента.

Хр = ^ при 'К^Ж,

ор

(4.4)

Таблица 4.1 - Векторные показатели критерия полезности для металлорежущего

инструмента

Главный Основные к ор К-др Приме- Основные

(генераль- технологические min max min max чание источники

ный) воздействия информа-

эксплуата- ции

ционный (по списку

показатель литера-

туры)

Срок Модификация 1,5 5 5 30 Металло- 13, 29, 31,

службы поверхностного режущий 54, 59, 74,

инстру- слоя инстру- 95, 127,

мента мент 141, 163,

180, 187

Нанесение 1,5 10 8 50