Компьютерное моделирование технологического процесса восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники на примере МДО (110
..pdf№1-2 |
Известия ОрелГТУ |
АВТОМОБИЛИ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕРВИС И РЕМОНТ |
УДК 539.319:510.67
Доктп. техн. наук проф. А.К Новиков, аспирант Е.Д. Дворнов (Орловский государственный технический университет) Канд. физ.-мат. наук, доцент О.А. Иващук (Орловский государственный аграрный университет)
Россия, г. Орел
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ НА ПРИМЕРЕ МДО
Постановка натурных экспериментов по восстановлению и упрочнению деталей сельскохо зяйственной техники из алюминиевых сплавов с привлечением реального оборудования зачастую требует значительных расходов временных, энергетических и материальных ресурсов.
Особенно остро встают проблемы потери материально-сырьевых ресурсов и больших затрат труда и электроэнергии при отработке режимов процессов восстановления и упрочнения. Основ ные причины - это затраты времени на настройку оборудования, медленное увеличение выхода упрочненных деталей при отработке новых технологий и т.д.
Кроме того, для исследования может представлять интерес задача, трудновыполнимая в ус ловиях реального эксперимента (например, не только в силу большой продолжительности экспе римента во времени, но и риска привести поверхность обрабатываемой детали в нежелательное и необратимое состояние и т.п.).
Возможность проводить контролируемые эксперименты в ситуациях, где экспериментирова ние на реальных объектах было бы практически невозможным или экономически нецелесообраз ным, дает применение моделей.
Хорошо построенная модель технологического процесса, как правило, доступнее для иссле дователя, нежели реальный эксперимент. С ее помощью выявляются наиболее существенные фак торы, формирующие те или иные свойства процесса. Модель позволяет так же научить правильно управлять процессом, апробируя различные варианты. Одним из наиболее важных применением моделей является прогнозирование поведения моделируемых систем.
В современных условиях при оценке эффективности использующихся восстановительных и упрочняющих технологий наряду с основными производственными показателями необходимо
88 |
Строительство. |
|
Транспорт 2004 |
Строительство. Транспорт
учитывать их влияние на окружающую среду. Проведение компьютерного эксперимента значи тельно повышает показатель экологичности проводимых исследований.
Основными преимуществами компьютерного эксперимента являются:
-легкость повторения и воспроизведения условий проведения эксперимента; легкость прерывания и возобновления эксперимента; управление условиями проведения эксперимента.
Задача построения точной физико-химической модели для большинства современных техно логических процессов чрезвычайно сложна. Особо актуальными в этой связи становятся эмпириче ские модели, полученные на основе экспериментальных данных. Мы проводили построение эмпи рической модели на примере процесса упрочнения методом микродугового оксидирования (МДО) деталей сельскохозяйственной техники из алюминиевых сплавов, восстановленных наплавкой. По лучение высоких эксплуатационных характеристик поверхностного слоя детали, обработанной ме тодом микродугового оксидирования, непосредственно зависит от выбора электрохимических па раметров упрочняющего процесса, от физико-химических параметров обрабатываемой структуры, от процессов переноса частиц обрабатывающей среды к поверхности обрабатываемой структуры и их взаимодействия. Система поверхность детали - электролит является сложной нелинейной сис темой, а процесс обработки детали методом МДО носит вероятностный, или недетерминирован ный характер.
Определим эмпирическую модель технологического процесса МДО как функциональную за висимость выбранного показателя качества выходной структуры от режимов процесса. При этом остаются фиксированными конструкционно-технологические параметры и параметры входной структуры.
Для обработки и анализа рассматривались результаты лабораторных экспериментов, полу ченные различными учеными при исследовании указанного технологического процесса с исполь зованием щелочного электролита с добавлением жидкого стекла, то есть электролита типа «КОН - Na2Si03». Учитывались данные опытов для следующих наплавленных сплавов: АМгб; АК5; АК9М2. Моделируемыми показателями качества были микротвердость упрочненной поверхности Нт толщина внешнего упрочненного слоя h, и толщина внутреннего упрочненного слоя h2. В ка честве параметров, задающих режим процесса МДО (технологических параметров), использова лись:
при моделировании Нт - ПЛОТНОСТЬ тока Dt; состав электролита, то есть концентрации содержания в нем жидкого стекла CNa2s;o3 и едкого кали СКон;
- при моделировании hj и Пг - плотность тока; состав электролита и время оксидирова ния Т.
Другие параметры процесса МДО, такие как объем электролита, межэлектродное расстояние в электролитической ванне, материал и температура электродов и т.д., поддерживались постоян ными.
При построении эмпирической модели технологический процесс рассматривается как "чер ный ящик" с несколькими входами и выходами. Входы соответствуют выбранным параметрам технологического процесса (режимам МДО), а выходы - выбранным моделируемым показателям качества упрочненной поверхности восстановленной детали (откликам процесса). Модель строится на основе имеющихся данных натурных экспериментов без отражения внутренней физики процес са. Это позволяет использовать автоматическую универсальную процедуру построения модели для различных упрочняющих технологий. Отметим, что с помощью предлагаемых методов можно ус танавливать зависимости в виде уравнений или численных алгоритмов между любыми характери стиками, определяемыми экспериментально.
Была создана база данных (БД) натурных экспериментов в виде таблиц, содержащих значе ния микротвердости и составляющих толщины упрочненного покрытия при различных значениях выбранных режимов МДО. Произведена классификация данных по различным наплавленным сплавам. Данные оптимизированы в системе ACCESS. Применена система управления базами данных (СУБД), то есть внешняя оболочка для их обработки с использованием Visual Basic. СУБД регулирует процесс обращения к данным из различных пакетов расчетных программ, применяе мых в процессе моделирования, а также позволяет следующее:
добавлять в базу новые и изменять уже имеющиеся в базе значения режимов МДО;
РКЗШ |
; |
; _ |
89 |
№1-2 Известия ОрелГТУ АВТОМОБИЛИ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕРВИС И РЕМОНТ
добавить в базу таблицу значений для ранее неиспользовавшихся параметров рассмат риваемого технологического процесса упрочнения;
добавить или заменить наплавленный сплав; ввести данные для других контролируемых показателей качества поверхности обрабо
танной МДО детали.
Обработка и анализ результатов натурных экспериментов, а также расчеты по построению моделей процесса МДО выполнены в системах: MATCHCAD 2000 и Neural Connection 2.0.
На основании выводов, полученных учеными, проводящими экспериментальные исследова ния по упрочнению деталей с/х техники, восстановленных наплавкой, методом микродугового ок сидирования, при построении математической модели на диапазоны варьирования технологиче скими параметрами были наложены следующие ограничения:
Dt€ [10; 30] А/дм2;
*-Na2Si03 = [2; 18] г/л; |
(1) |
Скон б [1; 7] г/л; Т е [0,5; 3] ч.
Рассмотрим построение полиномиальной модели. Для ее построения последовательно фор мируются полиномы возрастающей степени до достижения удовлетворительной аппроксимации. Полиномиальная модель имеет вид:
y = b 0 + X b , - X , , |
(2) |
i=l |
|
где у - рассчитанное по модели значение моделируемого показателя качества, Ь0 и bj - |
постоянные |
коэффициенты, X! - значение факторов. В качестве факторов используются как отдельные техно логические параметры, так и их линейные и нелинейные комбинации.
Вначале строится полином первого порядка. Далее проводится регрессионный анализ полу ченного уравнения. Если анализ модели приводит к выводу, что полином первого порядка оказы вается недостаточным для представления реальной зависимости, то необходимо перейти к поли ному более высокого порядка и т.д. до получения адекватной модели.
Анализ построенных моделей и их проверка на адекватность показали, что зависимость мик ротвердости, а также зависимости толщины внутреннего и внешнего упрочненного слоев от пара метров процесса МДО, представляют собой полиномы второго порядка.
Используя полученную модель, можно определить и спрогнозировать значения микротвер дости и толщины упрочненной поверхности при варьировании любых из указанных режимов МДО.
Для повышения времени эксплуатации восстановленной детали микротвердость упрочнен ного покрытия должна быть высокой. Это обеспечивается варьированием значений технологиче ских параметров. При этом следует учитывать и влияние данных изменений на другие технологи ческие характеристики.
На рисунках 1а - За приведены трехмерные графики, которые дают геометрическое пред ставление зависимости микротвердости как моделируемого показателя качества от двух перемен ных (технологических параметров) при фиксированном значении третьего в прямоугольной систе ме координат, т.е. представлена графическая визуализация полиномов. На рисунках 1 6 - 3 6 изо бражены контурные графики, которые получены изображением на следующих плоскостях: (Скон,
CNa2si03) при Dt = 20 А/дм2, Т = 1,5 ч; (Dt, СКОн) при CNa2Si03 = 6 г/л, Т = 1,5 ч; (Dt CNa2Sio3) при СКОн = 3 г/л, Т = 1,5 ч; проекций на них линий Hm = const, проведенных на трехмерной поверхности,
соответствующей рисункам 1а-За.
С помощью контурных графиков удобно наблюдать за изменением значения моделируемого показателя качества при варьировании двумя параметрами модели. Согласно данным графикам, для всех рассматриваемых сплавов высокое значение микротвердости достигается при одновре менном увеличении плотности тока и уменьшении концентрации жидкого стекла (в заданном диа пазоне значений). При фиксированном значении СКон наибольшее влияние на изменение микро твердости оказывает варьирование концентрацией "CNa2si03"-
90 |
Строительство. |
|
Транспорт 2004 |
Строительство. Транспорт
Hm, Ша
|
|
|
|
CNa2Si03, г / л |
_ |
, |
. . _ |
^ |
18 |
Скон, г/л 7 |
5 |
|
|
Рис. 1а. График поверхности Нт(СКон, CNa2si03) для сплава "АК5" Режимы: Dt = 20 А/дм2, Т = 1,5 ч.
-КОН' г/л
Рис. 16. Контурный график Нт(СКон> С№2аоз) для сплава "АК5" Режимы: Dt = 20 А/дм2, Т = 1,5 ч.
1-2 Известия ОрелГТУ |
АВТОМОБИЛИ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕРВИС И РЕМОНТ |
25 30 Dt А/дм2
Рис. 2а. График поверхности Нт(СКоН) Dt) для сплава "АК5" Режимы: CNa2Si03 = 6 г/л, Т = 1,5 ч.
Dt Aim
7 Скон, г/л
Рис. 26. Контурный график Нт(СКон, Dt) для сплава "АК5" Режимы: CNa2Si03 = 6 г/л, Т = 1,5 ч.
Строительство. Транспорт 2004
Строительство. Транспорт
CNa2Si03, г/л
18
Dt А/т
Рис. За. График поверхности Hm(CNa2Si03, Dt) для сплава "АК5' Режимы: СКон = 3 г/л, Т = 1,5 ч.
CNa2Si03, г/л
18
30 Dt А/дм2
Рис. 36. Контурный график Hm(CNa2si03, Dt) для сплава "АК5" Режимы: СКон = 3 г/л, Т = 1,5 ч.
При варьировании концентрацией едкого калия в электролите можно сделать следующий вывод. Существует определенное значение Скон = Ск о н , при котором на функциональной зависи-
93
№1-2 |
Известия ОрелГТУ |
АВТОМОБИЛИ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕРВИС И РЕМОНТ |
мости Нт(Скон) наблюдается максимум. Наличие этого максимума влияет на характер множест венной функциональной зависимости Нт(СКон, CNa2Sio3, Dt). При одновременном варьировании
двумя технологическими параметрами: Dt и СКон в пределах СКон £ [1; С ^он ] более высокое зна чение микротвердости достигается при одновременном увеличении плотности тока и уменьшении
концентрации в электролите едкого калия; а в пределах СКон е [С J^QH > 7] - ПРИ одновременном
увеличении значений как плотности тока, так и едкого калия.
Из контурных графиков видно, что при фиксированном значении "Na2Si03" наибольшее влияние на изменение микротвердости упрочненного покрытия оказывает варьирование концен трацией "КОН". При фиксированном значении СКон наибольшее влияние на изменение микротвер дости оказывает варьирование концентрацией "Снагвюз"- Если рассмотреть изменение состава элек тролита (одновременное варьирование двумя концентрациями Скон и СНЙБЮЗ) при фиксированном значении плотности тока, то можно сделать следующий вывод:
1. При Скон< С'кон микротвердость увеличивается при одновременном увеличении концен трации "КОН" и уменьшении концентрации "Na2Si03".
2. При Скон > С*кон микротвердость увеличивается при одновременном уменьшении концен трации "КОН", так и "Na2Si03". Также можно сделать вывод, что изменение концентрации "КОН" сильнее влияет на составляющие изменения микротвердости, чем изменение "Na2Si03". Отметим, что эти выводы касаются изменений значений технологических параметров в пределах изменения, соответствующих (1).
На рисунках 4а - 7а на примере сплава АК9М2 приведены трехмерные графики зависимости составляющих толщины упрочненного МДО покрытия (внешний hi и внутренний h2 упрочненный слои) от двух технологических параметров: рисунки 4 - 5 - от продолжительности оксидирования и плотности тока; рисунки 6 - 7 - от состава электролита. Рисунки 46 - 76 представляют контурные графики h](Dt,T), h2(Dt,T) при фиксированных СКон = Зг/л, CNa2Si03 = 6г/л, а также Ь)(СКон, См^юз), 1ь(Скон3 Сыагвюз) при фиксированных Dt = 20А/дм2, Т = 1,5ч. (на примере сплава АК9М2).
Согласно данным графикам, высокое значение толщины покрытия обеспечивается при уве личении плотности тока и продолжительности МДО (в заданном диапазоне варьирования). Увели чение плотности тока при малом значении времени оксидирования (Т < 1ч.) не оказывает значи тельное влияние на изменение hi и h2. Сильное влияние оказывает изменение тока при значениях времени оксидирования Т > 1,5ч.
Наблюдая за поведением hi и h2 по контурным графикам, можно сделать вывод, что при уве личении в заданном диапазоне плотности тока значительнее увеличивается толщина внутреннего упрочненного слоя по сравнению с толщиной внешнего упрочненного слоя.
Анализ данных графиков зависимости толщины от состава электролита показал, что при уве личении концентрации "КОН" толщина внутреннего и внешнего упрочненных слоев меняется сла бо. При уменьшении концентрации в электролите "Na2Si03" возрастает прирост внутреннего уп рочненного слоя.
На основе построенных моделей была разработана компьютерная программа в системе Vis ual Basic 5.0, которая позволяет проводить имитационные эксперименты. Для программы разрабо тана сервисная оболочка, удобная для пользовательского диалога и доступная для экспериментато ра. Для построения модели МДО так же использовались методы искусственного интеллекта, а именно, была разработана многослойная нейронная сеть с алгоритмом обратного распространения.
При нейросетевом моделировании процесса упрочнения детали, восстановленной наплавкой, методом МДО входной слой нейронов получает внешнюю информацию от процесса. Это соответ ствует определенному количеству входных технологических параметров. Выходной слой передает обрабатываемую информацию во внешнюю среду, устанавливая отклики МДО - микротвердость упрочненного покрытия Н т или составляющие толщины полученного покрытия h. Мы использо вали нейронную сеть со структурой, состоящей из трех входных нейронов в случае моделирования микротвердости и двух в случае моделирования толщины покрытия, двух промежуточных нейро нов и одного (для Нт) или двух (для hb h2) выходных нейронов, т.е. со структурой "3-2-1" или "2- 2-2" .
94 |
Строительство. |
|
Транспорт 2004 |
Строительство. Транспорт
hi, мм
Dt, А/дм
3 Т, ч
Рис. 4а. График поверхности. Зависимость толщины внешнего упрочненного слоя "hi" от плотности тока "Dt"H продолжительности оксидирования "Т", "h(Dt,T)" для сплава АК9М2.
Режимы: Скон = Зг/л, CNa2Si03 = 6г/л
Т, ч 3
30 D\,A/m
Рис. 46. Контурный график. Зависимость толщины внешнего упрочненного слоя "hi "от
.плотности тока "Dt" и продолжительности оксидирования "Т", "h^IXT)" для сплава АК9М2. Режимы: Скон = 3 г/л, CNa2si03 = 6 г/л
1-2 Известия ОрелГТУ |
АВТОМОБИЛИ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕРВИС И РЕМОНТ |
П2, ММ
0.06-
3 Т,ч
Dt, А/дм2
Рис. 5а. График поверхности. Зависимость толщины внутреннего упрочненного слоя от плот ности тока и продолжительности оксидирования, "h2(Dt,T)" для сплава АК9М2.
Режимы: СШн = Зг/л, CNa2si03 = 6г/л
30 Dt,A/jw
Рис. 56. Контурный график. Зависимости толщины внутреннего упрочненного слоя от плот ности тока и продолжительности оксидирования, "h2(Dt,T)" для сплава "АК9М2".
Режимы: СКОн = Зг/л, CNa2Si03 = 6г/л
Строительство. Транспорт 2004
Строительство. Транспорт
7 — |
18 CNajSiOj.r/n |
Скон, г/л |
|
Рис. 6а. График поверхности зависимости толщины внешнего упрочненного слоя от состава электролита Ъ\(СКОн, СЫЙБЮЗ) ДЛЯ сплава АК9М2.
Режимы: Т = 1,5 ч, Dt = 20 А/дм2
CNa2Si03; г/л
18-г
7 Скон, г/л
Рис. 66. Контурный график зависимости толщины внешнего упрочненного слоя от состава электролита Ь^Скон, CNa2si03) для сплава АК9М2.
Режимы: Т = 1,5 ч, Dt = 20 А/дм2