Системно-структурное моделирование операций упрочнения методами ППД
Назначение и способы реализации ОУ методами ППД
Структурная схема ТС упрочняющей обработки методами ППД
Моделирование ОУ методами ППД.
_________________________________________________________________________________________
2.1 Назначение и способы реализации ОУ методами ППД
Любая технологическая операция, в том числе и операция упрочнения методами ППД, осуществляется в рамках определенного маршрутного технологического процесса, обеспечивающего необходимые действия над заготовкой для получения детали определенного качества. ОУ методами ППД включаются в ТП изготовления деталей для решения следующих задач:
-упрочнения поверхности детали при условии получения минимальной шероховатости или заданного микрорельефа;
-упрочнение детали с обеспечением максимального приращения предела выносливости, износостойкости и других эксплуатационных свойств;
-упрочнения поверхности в условиях достижения максимально возможного исправления неточностей размеров и формы детали.
Эти задачи в процессе ППД решаются путем изменения ряда параметров качества поверхности и свойств материала поверхностного слоя:
-формируется качественно новая макро- и микрогеометрия поверхности;
-в поверхностном слое возникают остаточные макронапряжения сжатия;
-кристаллическая решетка материала поверхностного слоя получает упруго-пластические искажения, приводящие к формированию остаточных микронапряжений;
-изменяются форма, размеры и ориентировка зерен, что способствует формированию текстурированного слоя;
-в закаленных сталях снижается количество остаточного аустенита и происходит выделение мелкодисперсной карбидной фазы, повышается плотность дислокаций.
Это вызывает:
-повышение сопротивления пластической деформации при циклических эксплуатационных нагрузках;
-повышение пределов прочности и текучести, твердости и микротвердости поверхности;
-снижение характеристики пластичности.
Следует отметить, что эффективность упрочнения методами ППД тесно взаимосвязана с интенсивностью упруго-пластической деформации материала поверхностного слоя в процессе ППД.
При ППД упруго-пластическая деформация может быть осуществлена двумя способами воздействия на поверхность детали: либо твердыми телами, либо концентрированными потоками (полями) энергии.
ППД твердыми телами является наиболее распространенным способом упрочнения. Его осуществляют путем воздействия на обрабатываемую поверхность одного или нескольких деформирующих элементов. Этот способ ППД лежит в основе целой гаммы методов, которые по характеру силового взаимодействия деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью можно разделить на две большие группы: квазистатические и динамические (ударные).
Квазистатические предполагают создание деформационного усилия от инструмента при непрерывном контакте с деталью. При динамических - пластическая деформация поверхностного слоя осуществляется путем многократного ударно-импульсного воздействия отдельных твердых частиц обрабатывающей среды на обрабатываемую поверхность.
При использовании в технологических целях физико-химических явлений, поверхностная пластическая деформация осуществляется "бесконтактным способом" – путем воздействия на поверхность обрабатывающей среды в виде высокоэнергетического концентрированного потока энергии. К числу таких методов ППД относятся: обработка в магнитном поле, взрывной волной, электронно-ионной и квантовой технологией, импульсными воздушными струями, барофрагментация. Характер силового воздействия на обрабатываемую поверхность при обработке этой группой методов может быть импульсным и постоянно-нарастающим.
Применяемые в практике процессы ППД характеризуются наличием непрерывного или дискретного контакта. Последние, представляющие в основном группу динамических методов обработки твердыми телами, могут быть разделены на процессы с регулярным и со стохастическим формированием локальных очагов деформации (отпечатков). К числу динамических методов ППД, при обработке которыми формирование локальных очагов деформации носит регулярный характер, относятся методы обработки единичным индентором или набором инденторов. Стохастический характер формирования лежит в основе динамических методов обработки направленным потоком, порционными массами и с соударением частиц обрабатывающей среды.
Интенсивность упрочнения детали при применении методов ППД, также зависит от схемы обработки поверхностей, определяемой кинематикой относительного движения: для квазистатических методов – инструмента и детали, для динамических методов – обрабатывающей среды и детали.
Таким образом ОУ ППД в общем случае определяется четырьмя основными признаками:
-технологическим назначением;
-методом ППД – определяющим характер силового воздействия инструмента или обрабатывающей среды на обрабатываемую поверхность;
-схемой обработки детали;
-типом или видом деформирующего инструмента или обрабатывающей среды.
Примеры ОУ ППД представлены в таблице 1.
Таблица 1. Примеры ОУ деталей методами ППД
|
Операция |
Технологическое назначение |
Схема обработки |
Метод ППД |
Инструмент, обрабатывающая среда |
|
Выглаживание |
Упрочнение поверхностей дисков |
Вращение заготовки, подача инструмента |
Квазистатический |
Алмазный выглаживатель |
|
Виброударная обработка |
Снижение шероховатости. Упрочнение |
Деталь свободна, обрабатывающая среда свободна |
Ударно-импульсный, обрабатывающая среда совершает низкочастотные колебания |
Стальные полированные шарики |
|
Дорнование |
Калибрование шлицев после термообработки |
Деталь неподвижна, подача инструмента |
Квазистатический |
Фасонный дорн |
|
Дробеструйная обработка |
Упрочнение зубчатых колес |
Деталь вращается, устройство для подачи потока обрабатывающей среды неподвижно |
Ударный, направленные поток обрабатывающей среды |
Стальная дробь |
|
Пневмодинамическая обработка |
Упрочнение внутренних поверхностей |
Деталь неподвижна, подача устройства |
Ударно-импульсный, обрабатывающая среда совершает хаотичные перемещения |
Стальные шарики |
Упрочняющая обработка ППД производится в условиях технологической системы (ТС), реализующей данный метод ППД в применяемом для этой цели оборудовании, с помощью соответствующего инструмента и приспособлений, действия которых конкретны, последовательны в пространстве и во времени и направлены на получение у детали поверхности с заданными точностью и качеством.
Функционально ТС упрочняющей обработки методами ППД обеспечивает взаимосвязь между первичными (входными) параметрами, рабочим процессом ППД и вторичными (выходными) параметрами (рис. 3). В качестве первичных параметров выступают точностные и качественные показатели детали (материал, размеры припуск на обработку, технические требования), а также технические характеристики средств технологического оснащения (СТО) операции, (станок или устройство, инструмент или обрабатывающая среда, приспособления для установки и закрепления детали). Такие параметры, как материал, размеры и технические условия на деталь задаются конструктором, остальные первичные параметры обосновываются технологом. Синтезирующим элементом первичных параметров выступают технологические режимы обработки.
Рисунок 3. Технологическая система упрочняющей обработки деталей методами ППД.
В качестве вторичных параметров выступают результаты обработки: точность-Т, качество поверхностного слоя -К, эксплуатационные свойства детали –Эк, производительность- Пр, стойкость инструмента- С. Этот перечень может быть расширен показателями энергоемкости, экономичности, надежности технологической системы и т.д.
Подкрепленная машиностроительной практикой целесообразность проведения ОУ ППД для изготовления деталей особенно с целью обеспечения требуемых параметров качества поверхности и повышения эксплуатационных свойств деталей позволяет рассматривать всю совокупность методов упрочнения ППД в качестве особой группы технологических переделов (Рисунок 2). В этой связи очень важно иметь и одно общее направление научных исследований и промышленных разработок по технологическим операциям, в основе которых лежит пластическая деформация поверхностного слоя. Это дает возможность получить общую физико-механическую теорию обработки ППД и на её основе создать теоретические основы совершенствования существующих методов ППД.
Такая постановка задачи отвечает и нуждам промышленности, поскольку в настоящее время инженеру-технологу в производственных условиях для рационального упрочнения деталей приходится рассматривать все методы ППД в совокупности.
Изложенные исходные положения позволяют построить четкую классификацию технологических возможностей методов ППД, получить систематизированные инженерные методики их рационального выбора для технологических операций изготовления деталей с заданными параметрами качества поверхности и эксплуатационными характеристиками.
Содержание ОУ ППД включает её описание с указанием переходов, видов и режимов обработки, типа станка или устройства, приспособлений и инструмента, схемы базирования детали, степени автоматизации. Основными этапами проектирования такой операции являются:
1. Выбор метода ППД.
2. Проектирование структуры операции.
3. Разработка эскизного проекта СТО.
4. Проектирование СТО.
5. Назначение условий обработки, расчет производительности.
6. Корреляция структуры операции и СТО.
Выбор метода ППД является одним из центральных этапов проектирования ОУ ППД и обусловлен, с одной стороны, требованиями, предъявляемыми к детали, а с другой стороны, достигаемой экономической эффективностью обработки, которая в первую очередь определяется производительностью. Кроме того, метод ППД лежит в основе обоснования и проектирования СТО операции упрочнения. Операция упрочнения методами ППД разрабатывается на основе требований, устанавливаемых конструктором к качеству отдельных поверхностей детали, формируемых исходя из обеспечения прочности деталей и условий их эксплуатации. В качестве исходных предпосылок в пользу принятия конструктором решения о применении упрочняющей обработки методами ППД являются следующие:
1. Широкие технологические возможности методов ППД
2. Возможности проведения упрочнения отдельных поверхностей детали разнообразных по форме и размерам, а также упрочнение в труднодоступных местах.
3. Простота реализации методов ППД по сравнению с методами термического и химикотермического упрочнения.
4. Возможности встраивания методов ППД в цикл механической обработки деталей.
5. Механизация и автоматизация операций упрочнения методами ППД.
Структура операции зависит от формы и относительного расположения требующих упрочнения поверхностей детали.
Таким образом, при проектировании операции упрочнения технолог должен найти ответы на два основных вопроса:
-какой метод ППД необходимо применить для упрочняющей обработки той или иной поверхности?
-как наиболее рационально построить структуру упрочняющей обработки детали выбранным методом.
Отвечая на эти вопросы технолог может предложить один или несколько вариантов технологических систем упрочняющей обработки, в которых будет реализована операция упрочнения, направленная на обеспечение показателей качества детали, предопределенных конструктором. Но задача стоит более глубокая - разработать оптимальный вариант ТС, в котором наиболее полно могут быть использованы технологические возможности выбранного метода ППД.
2.2Структурная схема ТС упрочняющей обработки методами ППД
Оптимальная ТС может быть спроектирована на основе системно-структурного моделирования упрочняющей обработки деталей методами ППД, сущность которого заключается в следующем. ТС в общем виде представляется как совокупность совместно действующих элементов, которая предназначена для самостоятельного выполнения заданных функций. Основные элементы ТС, виды связей между ними образуют структуру, она графически изображает ее составные части и связи между ними. В структурной схеме в наглядной форме показываются отдельные элементы (явления) ТС и направления их взаимодействия. На основании структурной схемы формируется математическая модель ТС в виде совокупности зависимостей у = f (х1, х2, …, хn), где n – число учитываемых параметров х. Каждый элемент структурной схемы имеет свои свойства, а в целом, ее характеризуют присущие только ей интегральные свойства, прежде всего технологические показатели.
Для построения структурной схемы ТС упрочняющей обработки необходимо вначале определить основные закономерности функционирования ее основных частей, а также установить взаимосвязи между отдельными элементами.
Функционально, как это показано на рис.3, ТС упрочняющей обработки при использовании принятого метода ППД путем изменения режимов обработки должна обеспечить заданные на операцию вторичные (технологические и технико-экономические) параметры.
Вторичные параметры определяются исходя из технологических задач, решаемых ОУ ППД, и обеспечения требуемых для этой операции технико-экономических показателей, таких как надежность ТС, производительность, энергоемкость процесса, материалоемкость, экономичность. В качестве основных параметров, позволяющих оценить результаты обработки и степень их соответствия уровню решаемых в процессе ОУ ППД технологических задач, выступают физико-механические характеристики качества поверхностного слоя и точность обработки детали.
Однако, вторичные параметры есть результат взаимодействия первичных параметров ТС, в качестве которых выступают деталь, поступающая на обработку, и средства технологического оснащения, представляющие собой материальное осуществление ТС и включающие оборудование, реализующее метод ППД, инструмент или обрабатывающую среду, приспособление для установки детали.
Деталь, являющаяся основным объектом воздействия ТС, описывается исходными параметрами: материал, геометрические размеры, физико-механические характеристики поверхности, исходная микрогеометрия, а также параметрами качества поверхности, которые она должна иметь после упрочнения (твердость, глубина наклепа, остаточные напряжения, микрорельеф).
При обработке методами ППД в качестве оборудования применяются или универсальные металлорежущие станки или специальные устройства, реализующие тот или иной метод. Инструмент является основным элементом ТС, взаимодействие которого с деталью обеспечивает упруго-пластическую деформацию и, как следствие, формирование поверхностного слоя с требуемыми в соответствии с ТУ характеристиками. В зависимости от метода ППД функции инструмента выполняют:
- дорны, ролики, шарики, наконечники – при обработке квазистатическим методом ППД твердыми телами.
- обрабатывающая среда, состоящая из дроби, шариков, сечки или энергонесущие бойки – при обработке динамическими методами ППД твердыми телами
- обрабатывающая среда в виде высокоэнергетически концентрированных потоков или полей энергии – при применении для ППД различного вида физических явлений.
Общим для всех методов ППД является то, что функции инструмента одни и те же, различие лишь в типе, форме и грануло-геометрических характеристиках деформирующих тел, а также их рабочей части.
Процесс ППД осуществляет взаимосвязь между первичными и вторичными параметрами, т.е. его интегральные свойства определяют закономерности функционирования ТС. Интегрально процесс ППД представляет собой сложную систему одновременно совершающихся и взаимосвязанных процессов; которые условно можно разделить на три уровня:
- процессы 1-го уровня (исходные явления) – механические, тепловые, магнитные, электрические;
- процессы 2-го уровня (процессы, протекающие в специфических для ППД условиях) – кинематика процесса, упруго-пластические деформации, трение;
- процессы 3-го уровня - структурно-фазовые, тепловые и волновые процессы, определяющие степень упрочнения поверхностного слоя обрабатываемой детали.
Таким образом в качестве основных элементов процесса ППД можно выделить:
- кинематику процесса ППД – это закономерности взаимодействия инструмента или обрабатывающей среды с обрабатываемой деталью без учета физических явлений, протекающих в зоне пластической деформации. Если для квазистатических методов ППД характер взаимодействия определяется закономерностями относительного движения инструмента и детали, то для динамических методов он определяется как кинетикой движения отдельных частиц обрабатывающей среды, так и кинематикой относительного движения всей массы обрабатывающей среды и детали;
- механику процесса ППД – это закономерности протекания упруго-пластических деформаций обрабатываемого материала в результате силового воздействия на поверхностный слой деформирующих тел. На основе этого строятся деформационные модели процесса, находятся действующие напряжения, величины деформаций, сила и работа пластической деформации;
- теплофизику процесса ППД – закономерности превращения энергии в составляющих процессах различных явлений, сопровождающиеся поглощением или выделением теплоты. Теплота деформирования генерируется в очаге деформации, теплота трения – непосредственно на поверхности контакта. Она образуется в основном вследствие пластического деформирования, поэтому источник теплоты соответствует форме очага деформации, а сам процесс характеризуется мгновенным локальным нагревом и быстрым отводом теплоты внутрь заготовки. При интенсивных режимах обработки нагрев может вызывать термопластическое деформирование и другие явления, оказывающие различный эффект при ППД.
- структурно-фазовые превращения, которыми сопровождается процесс ППД, начиная от дробления зерен металла на блоки с образованием мозаичной структуры до образования зон с отличным от основного фазовым составом. Лавиноподобное развитие дислокаций-дефектов кристаллической решетки металла является основной причиной упрочнения поверхностного слоя детали в процессе ППД.
Задачи, решаемые при оптимизации технологических операций, могут быть прямые и обратные. Прямые задачи рассматривают закономерности, связывающие входные параметры с показателями механизма обработки и далее с технологическими параметрами, например влияние скорости деформирования на упруго-пластическую деформацию материала и далее на глубину наклепа поверхностного слоя. Обратные задачи отвечают на вопрос, как выбрать первичные параметры, чтобы обеспечить заданное значение технологического параметра. Надо отметить, что прямые задачи обычно проще. Как правило, для решения обратной задачи надо предварительно рассмотреть прямую задачу.
В этой связи, структурную схему ТС упрочняющей обработки целесообразно представить в виде разомкнутой системы автоматического регулирования, состоящей из описанных выше детектирующих элементов и включенных в нее в следующем порядке: первичные (входные) параметры – процесс ППД – вторичные (выходные) параметры (рис.4) по следующим причинам.
Такое построение позволяет, во-первых, выявить функциональную зависимость между элементами, а во-вторых, охарактеризовать их либо количественно, описав уравнением, связывающим входные и выходные параметры, либо качественно. Последние в математической модели учитывают в виде поправочных коэффициентов.
Кроме того, опыт практического применения упрочняющей обработки методами ППД свидетельствует, что управление ТС упрочняющей обработки построены обычно на разомкнутой схеме, представляющей совокупность управляемого объекта – процесса ППД, и управляющего, изменяющего, например, режимы обработки.
Между отдельными элементами структурной схемы ТС упрочняющей обработки можно выделить два вида связей: связи в технологической системе F и связи в процессе ППД – f. Связи F в ТС являются основными, так как связывают первичные и вторичные параметры, они представляют особый интерес для практической деятельности и лежат в основе выбора оптимального варианта ТС упрочняющей обработки.
Одной из основных функций связи является функция определяющая влияние упрочняющей обработки на повышение эксплуатационных свойств деталей, в частности усталостной прочности. Фактически достигаемый эффект упрочнения определяется как отношение предела выносливости деталей после упрочнения к пределу выносливости деталей до упрочнения.
Расчетное значение повышения усталостной прочности можно оценить по зависимости:
, где
Ка – коэффициент, оценивающий величину остаточных напряжений;
Кмi – прирост микротвердости;
hнi - глубина наклепа;
Hq - толщина (диаметр) обрабатываемой детали,
которая получена на основе рассмотрения в структурной схеме цепи: вид обрабатываемой детали – режимы ППД – качество поверхности.
Взаимосвязи второго вида между отдельными физическим явлениями составляющими механизм ППД существует односторонние, показанные на схеме одной стрелкой (например, fк.д. между кинематикой процесса и деформациями), двухсторонние (fд.тр. между деформациями и трением в контакте), комплексные, связывающие в цепочку несколько одновременно протекающих явлений (например, деформация – теплофизика – структурно-фазовые изменения). По степени важности связи можно разделить на первостепенные (например, fк.д. и fд.тр. ), которые лежат в основе исследований механики процесса ППД и второстепенные – позволяющие объяснить механизм упрочнения поверхностного слоя.
Рис.3. Структурная схема операции упрочнения
методами ППД (в двойной рамке ограничения на систему): М-материал; Р-размеры;
-припуск; Э-эксплуатационные свойства;
V-скорость
частиц рабочей среды; D-размеры
частиц рабочей среды; t-продолжительность
обработки; У-оборудование; О-технологическая оснастка, Рс - рабочая
среда, инструмент, Тср - технологическая среда;
F-связи
в технологической системе (Fп
–первичные,
Fв
–вторичные);
f-связи
между физическими явлениями
Структурная схема ТС операции упрочнения метода ППД реализует комплекс кинематических, динамических, тепловых и других физических связей между ее элементами. Например, кинематической связью является зависимость производительности от первичных параметров (размеров деталей, режимов обработки). Зависимость энергоемкости процесса от технических характеристик применяемого для реализации метода ППД оборудования, и состояния обрабатывающей среды устанавливается на основе анализа динамической связи ТС.
Примером тепловых связей является зависимость качества поверхности от материала обрабатываемой детали – силовых параметров процесса и структурно-фазовых явлений протекающих в поверхностном слое в процессе ППД.
Представленная структурная схема ТС упрочняющей обработки носит обобщенный характер и может быть применима для проектирования операции упрочнения любым методом ППД. Такая постановка основывается на том, что единым обобщающим элементом метода ППД является организованная упруго-пластическая деформация, а значит единая структура механизма ППД. Предложенная для описания ТС структурная схема может быть более тщательно детализирована (расширена) или построена по иерархическому принципу для решения конкретной инженерной задачи.
Например, для обеспечения заданного качества поверхности, используя обобщенную структурную схему, на первом этапе можно выделить условия обработки (первичные параметры), обеспечивающие показатели качества по наиболее распространенному показателю – параметру шероховатости Ra. Затем построить структурную схему второго уровня, раскрывающую влияние условий обработки на другие показатели качества (глубину наклепа, величину остаточных напряжений, шероховатость).
Построение ТС упрочняющей обработки методами ППД в виде разомкнутой схемы предусматривает в качестве объекта регулирования первичные параметры и использование любого из них для оптимизации процесса ППД. Однако, в первую очередь в качестве регулятора процесса ППД используют режимы обработки. Упрочняющая обработка на оптимальных режимах обеспечивает наиболее производительное и экономичное упрочнение с выполнением заданных ограничений как первичных (детали, СТО), так и вторичных (качество поверхности, точность).
Представление ТС упрочняющей обработки в виде структурной схемы способствует более ясному пониманию физической сущности процесса ППД, и на этой основе построению достоверной математической модели ТС, позволяющей спроектировать оптимальный вариант операции упрочняющей обработки, используя несколько показателей оптимизации.
2.3. Моделирование ОУ методами ППД.
Построение достоверной математической модели напрямую связано с правильным выбором конструктивных, физико-механических и технологических ограничений. Типовыми конструктивными ограничениями для упрочняющей обработки методами ППД являются энергетические возможности устройств или оборудования, применяемого для реализации того или иного метода, геометрические параметры охватываемых зон обработки, которые в ряде случаев снижают эффективность ОУ. Повысить эффективность процесса при такой ситуации возможно путем конструктивных, технологических или организационно-производственных мероприятий. Вместе с этим ряд ограничений, таких как геометрические и прочностные характеристики детали, точность и качество её поверхности, являются неизменными для данной операции. Общепринятые методы проектирования технологических операций обеспечивают их оптимизацию по одному заданному критерию (себестоимость, производительность и т.д.).
Современный подход к изучению сложных систем связан с имитационным моделированием, позволяющим решать задачи многоцелевой оптимизации[1].
Основными элементами системного проектирования технологических операций, в которых используют имитационный анализ являются:
1.Формирование целей и задач проектирования.
2.Создание полного набора альтернативных вариантов.
3.Воспроизведение значений критериев оценки (имитационное моделирование).
4.Многокритериальная оценка альтернативных вариантов.
5. Выбор оптимального технологического процесса.
Применяя этот подход, цель и задачи, степень достижения которых предстоит оценивать в процессе проектирования ОУ ППД, можно представить в виде графа целей и задач.
Целью нулевого ранга
является оптимальная ОУ ППД. Цели первого ранга
предусматривают обеспечение:
- заданных технологических показателей качества обрабатываемых
деталей - 
;
- заданных технологических показателей процесса ППД -
;
- оптимальных экономических показателей операции -
.
Задание на операцию показателей качества деталей позволяет
обосновать группу частных критериев второго ранга
, формируемых в процессе ППД, таких как характеристики
микропрофиля 
, точность 
, физико-механические свойства
, эксплуатационные свойства деталей
.
Технологические показатели процесса ППД
оцениваются по критериям
: производительность -
, энергоемкость -
, материалоемкость -
, степень автоматизации -
, надежность ТС -
.
Опыт применения машинной имитации для воспроизведения достоверных значений критериев оценки процесса обработки свидетельствует о том, что с её помощью появляется возможность замены весьма трудоемких и дорогостоящих натурных экспериментов, экспериментами, выполняемыми на вычислительных машинах.
Общая схема проектирования ОУ ППД с использованием имитационной модели процесса ППД показана на рисунке 5.
Рисунок 5. Схема имитационного моделирования при проектировании ОУ ППД.
Имитационная модель ОУ ППД использует три основных вектора:
- вектор входных параметров
представляет параметры ОУ ППД, которые не меняются в
процессе использования расчетной модели:
- физико-механические свойства обрабатываемой детали;
- размеры и форма детали;
- исходная шероховатость поверхности детали;
- точность детали, достигнутая на предшествующей операции;
- прочностные и износостойкостные характеристики материала
деформирующего тела, а также характеристика состояния обрабатывающей среды.
- вектор управляющих параметров
включает параметры, которые должны выбираться для
реализации постоянной технологической задачи из множества допустимых векторов
. Управляющими параметрами при ППД являются: режимы
обработки - 
, тип оборудования или устройства -
, тип и размеры деформирующего тела или тел обрабатывающей
среды - 
.
- вектор выходных параметров ОУ ППД
представляют 2 группы параметров: частные критерии,
характеризующие показатели качества детали после упрочнения -
и частные критерии, характеризующие технический уровень ОУ
- 
. Частные критерии оценки ОУ ППД являются выходными
параметрами модели.
Имитационная модель ОУ ППД может быть представлена пятью взаимосвязанными моделями (рисунок 6):
1.Модель механики процесса ППД.
2.Модель проектирования ОУ ППД на основе упругих деформаций технологической системы (для квазистатических формообразующих методов ППД).
3.Модель прогнозирования геометрических и физико-механических характеристик поверхностного слоя.
4.Модель прогнозирования эксплуатационных свойств деталей.
5.Модель выбора и проектирования СТО.
6.Модель выбора метода ППД и схемы упрочнения детали.
Имитационная модель процесса позволяет оптимизировать значения
частных критериев оценки , с использованием принципа декомпозиции, а также производить
выбор оптимального варианта ОУ ППД на основе значений критериев оценки ОУ при
различных уровнях.
При оптимизации ОУ ППД решаются две задачи: определение оценки
этих критериев и разработка методики выбора предпочтительного варианта ОУ по
этим оценкам, т.е. решение задачи многоцелевой оптимизации. Каждое из
допустимых альтернативных решений 
приводит к некоторому исходу
, последствия которого оцениваются набором скалярных
критериев ,,,,, характеризующих степень достижения целей. Вектор
(,,,,) связан с решением
, некоторым отображением
:
, где 
- пространство критериев оценки. Необходимо найти такое
допустимое и наилучшее решение 
, которое оптимизирует эффективность
. В этом случае модель оптимизации имеет вид
, ,
где 
- оператор оптимизации, определяющий принцип выбора
наилучшего решения из всех допустимых.
В качестве иллюстрации приведем состав имитационной модели, используемой при проектировании ОУ динамическими методами ППД.
Модель механики процесса ППД (рис.6) характеризует упруго-пластические деформации обрабатываемого материала, а также процессы трения в зоне контакта деформирующего элемента с поверхностью обрабатываемого материала. Входными параметрами А1 используемой модели являются характеристики микропрофиля исходной поверхности (Rz – высота микронеровностей, b, n - параметры опорной кривой), физико-механические характеристики обрабатываемого материала детали (g - плотность, x - коэффициент податливости, sд – динамический предел текучести).
Параметрами управления Х1 являются скорость соударения деформируемого тела обрабатывающей среды (V) и его размеры (d - диаметр), кратность покрытия поверхности следами ударов (i). Исходя из них, на основе принятой расчетной схемы теоретически определяются параметры пластической деформации поверхностного слоя.
Рисунок 6 Обобщенная имитационная модель проектирования ОУ ППД
Выходные параметры модели Yi являются внутренними параметрами ТС упрочняющей обработки. К ним относятся формируемые на обрабатываемой поверхности в процессе ППД геометрические параметры локального очага деформации (а – радиус, h - глубина отпечатка), а также значение минимальной скорости деформирующих тел, требуемой для упрочнения поверхностного слоя детали (Vmin).
Рис.7. Модель механики процесса ППД динамическими методами
Достоверность модели (Рис.7) проверялась натурными экспериментами. Обоснование на основе модели механики ППД Vmin является одной из основных исходных энергетических предпосылок выбора метода ППД для упрочняющей обработки.
Использование структурной схемы также позволяет наиболее рационально решать технологические задачи, поставленные перед упрочняющей обработкой ППД, выявляя ее узкие места. Так с целью повышения к.п.д. процесса ППД в работе [7] был предложен гидродробеструйный метод ППД, позволивший снизить трения в зоне контакта деформирующих тел с обрабатываемой поверхностью за счет применения в качестве энергоносителя обрабатывающей среды СОЖ.
Модель выбора метода и схемы упрочнения детали является основополагающей в процессе проектирования ОУ ППД и предусматривает:
1) определение комплекта поверхностей детали, требующих упрочнения на ОУ ППД;
2) выбор метода (методов) наиболее предпочтительного с точки зрения обеспечения энергосиловых параметров и кинематических связей процесса ППД, для упрочнения выбранного комплекта поверхностей;
3) обоснование схемы упрочнения детали, лежащей в основе формирования структуры ОУ ППД.
Входными параметрами этой модели А6 являются геометрические размеры детали, требования по упрочнению поверхностей детали, минимально допустимые энергосиловые параметры обеспечивающие упрочнение детали (Vmin) определяемые на основе физико-механических и геометрических характеристик поверхности исходной детали, объем выпуска деталей, характеристика производственных условий реализации ОУ деталей.
В качестве параметров управления Х6 выступают методы ППД (рис.1), которые предварительно представляются или в виде систематизированных таблиц их энергетических, конструктивных и технологических возможностей, составляемых на основе данных изложенных в технической литературе [6] или создания "банка" методов ППД с использованием ЭВМ.
Комплект поверхностей для упрочнения формируется на основе анализа технических требований, предъявляемых конструктором к качеству поверхностей детали. При этом определяется форма и размеры требующих по ТУ упрочнения поверхностей, их сочетания. Исходя из технологических соображений реализации упрочняющей обработки, предусмотренный конструкторской документацией комплект поверхностей может быть расширен при условии, что упрочнение дополнительно включенных в комплект поверхностей не оказывает влияние на служебное назначение детали. Решение вопроса выбора метода и схемы упрочнения в целом представляет многовариантную с практической точки зрения задачу. Однако сложность ее решения зависит от условий, в которых проектируется ОУ ППД.
Так при проектировании ОУ в привязке к существующему на предприятии средству упрочняющей обработки решение этой задачи сводится к оценке приемлемости его для упрочнения детали. В случае пригодности вопрос лишь заключается в рациональном построении схемы упрочнения. В случае не пригодности его для реализации требований предъявляемых к детали конструктором или разработки перспективной ОУ вопрос может быть решен двумя путями.
Первый путь предусматривает:
1) Выбор из множества методов ППД, обеспечивающих упрочнение каждой поверхности входящей в комплект.
2) Определение из выбранных методов ППД применимых для большинства поверхностей, водящих в комплект.
3) На основе анализа реализуемых ими схем обработки, выбор метода и схемы упрочнения, обеспечивающей наибольшую производительность, характеризуемую технологическим временем обработки.
Методологические основы этого пути выбора метода и схемы упрочнения изложены в работе [4].
Второй путь основан на том, что вначале определяется схема упрочнения комплекта поверхностей, а затем выбирается для ее реализации метод (методы) ППД. Из этого следует, что единых правил выбора метода и схемы упрочнения детали, обеспечивающих однозначное решение этой задачи для каждой конкретной детали нет. Как тот, так и другой путь могут быть приняты за основу. Вместе с тем, как будет показано в следующих разделах, есть ряд рекомендаций, позволяющих технологу найти для каждой детали или группы деталей возможно лучшее решение этой ответственной задачи.
Модель выбора и проектирования средств технологического оснащения предполагает конструктивное обоснование совокупности функционально взаимосвязанных технических средств выполнения ОУ ППД. К ним относится устройство, реализующее выбранный метод ППД, обрабатывающая среда, приспособление для установки детали. СТО обеспечивают обработку поверхностей детали в соответствии с выбранной для данного метода схемой упрочнения, а также протекание процесса ППД в условиях, при которых требуемое качество детали достигается с максимально возможной производительностью при относительно минимальных их энергоемкости и материалоемкости. Энергоемкость и материалоемкость СТО представляют собой выходные параметры модели и являются критерием оптимизации ОУ ППД. В качестве входных параметров модели А5 выступают выбранный метод ППД, размеры обрабатываемой детали, схема упрочнения, технологическое время обработки, допустимый диапазон энергосиловых параметров процесса ППД. Параметрами управления Х5 являются принципиальные и кинематические схемы устройств реализации методов или их типовые конструкции, схемы установки детали при упрочнении. Любая совокупность СТО, применяемая для упрочняющей обработки, должна обеспечивать во-первых, необходимые для проведения ППД энергетические характеристики обрабатывающей среды, а во-вторых, кинематику формирования поверхностного слоя в процессе выполнения ОУ ППД, согласующуюся с выбранной схемой упрочнения. На основе принятого метода и схемы упрочнения разрабатывается эскизный проект СТО упрочняющей обработки конкретной детали, наглядно иллюстрирующей кинематические и динамические связи между устройством, реализующим метод, обрабатывающей средой, упрочняемой деталью, приспособлением (рис.8). В ходе эскизной проработки ТС выявляются основные технические характеристики, которым должны удовлетворять СТО для проведения ОУ в соответствии с ее технологическим назначением. Так, применительно к устройствам в качестве таковых формулируются обеспечение требуемых энергосиловых параметров обрабатывающей среды (скорость твердых тел), геометрические размеры зон обработки, охватываемых обрабатывающей средой, минимально допустимое расстояние до источника энергии, габаритные размеры устройства, скорость перемещения устройства относительно детали и т.д. Используя эти технические характеристики, технолог для реализации в ОУ выбранного метода ППД может или выбрать устройство из числа типовых изготавливаемых специализирующимися в этой области организациями или разработать техническое задание на проектирование и изготовление нового, если типовые конструкции по ряду технических или экономических показателей не приемлемы.
В основе технического задания на проектирование должен быть заложен один из наиболее предпочтительных вариантов принципиальной схемы устройства соответствующей выбранному для ОУ методу ППД.
Разработку и выбор такой схемы устройства в работе [2] предлагается вести в форме диаграммы идей, с помощью которой варианты решений представляют в виде графической классификации. Применение диаграммы при поиске идей систематизирует его, делает более наглядным, допускает корректировку и развитие, что важно при рассмотрении проекта. На рис.9 представлена типичная диаграмма идей принципиальных схем устройств для упрочнения отверстий пневмодинамическими методами ППД.
Рис.9.Принципиальные схемы устройств для упрочнения отверстий пневмодинамическими методами ППД.
Кроме того, на основе моделирования кинематических связей устройства реализующего метод ППД технолог в техническом задании должен сформулировать ряд дополнительных специфических для выбранной схемы устройства параметров, которые должны быть положены в основу на этапе его последующего конструирования с целью обеспечения оптимальной энергоемкости и материалоемкости устройства. В качестве примера на рис.10 приведена модель выбора основных конструктивных и энергетических параметров устройства для ударно-импульсного упрочнения (УИУ), оказывающих наиболее существенное влияние на конструкцию устройства и, как следствие, показатели ее энергоемкости и материалоемкости, такие как высота рабочей зоны Но, мощность привода – Nу , размеры входного звена привода гибкого элемента – Rвх.
Рис.10. Модель обоснования основных конструктивных и энергетических параметров устройства для ударно-импульсного упрочнения.
Исходными параметрами модели (УИУ) являются минимальная скорость частиц обрабатывающей среды (V), ширина и длина зоны обработки детали (Lk, B), размеры частиц обрабатывающей среды и количество слоев их загрузки в камеру (d и m=4) коэффициент запаса мощности (кз), коэффициент потерь (кп,кс). Регулируемыми параметрами модели УПУ выступают число оборотов и частота вращения входного звена привода (nвх, f), коэффициент раскрытия гибкого элемента (кр).
Выбор типа и гранулометрических характеристик обрабатывающей среды и входящих в нее деформирующих тел непосредственно зависит от материала детали, качества и микротрещин её исходной поверхности, а также технологического назначения упрочняющей обработки методами ППД. Так, например, использование стальных полированных шариков, несмотря на то, что они обладают высоким качеством поверхности и позволяют обеспечить высокие энергосиловые параметры процесса ППД и физико-механические характеристики поверхности, не приемлемо для упрочнения алюминиевых конструкций летательных аппаратов. Так как после обработки, в результате шаржирования металлическими частицами, снижаются их эксплуатационные свойства. Во избежание этого недостатка упрочнение алюминиевых конструкций целесообразно осуществлять однородными по материалу деформирующими телами.
Модели прогнозирования физико-механических и эксплуатационных свойств деталей, полученные в результате теоретических и экспериментальных исследований, позволяют моделировать характеристики качества поверхностного слоя на стадии проектирования ОУ ППД, а так же оценить достигаемый при этом эффект упрочнения в процессе эксплуатации деталей. На базе этих моделей проводится оптимизация как ТС, так и ОУ ППД.
На рис.11 представлена модель прогнозирования влияния упрочняющей обработки динамическими методами ППД на характеристики качества поверхностного слоя (RMi), глубину наклепа (hHi), величину остаточных напряжений (s0х), интенсивность наклепа (xi) и величину приращения микротвердости (кМi), являющиеся выходными параметрами модели У3.
Рис.11. Модель прогнозирования физико-механических характеристик поверхностного слоя формируемого динамическими методами ППД.
Входными параметрами модели А3 являются физико-механические характеристики детали (RZ- высота микронеровностей; b - коэффициент, учитывающий влияние исходной поверхности на изменение эпюры давления в зоне контакта, b<1; sд – динамический предел текучести.
В качестве параметров управления Х3 приняты режимы обработки (V,d,t), в результате которых на поверхности формируется поверхностный слой представляющий собой совокупность локальных отпечатков радиусом ai.
В п.п.2.2. приведена интегральная модель позволяющая оценить в совокупности влияние упрочняющей обработки методами ППД на повышение усталостной прочности. В этой связи следует отметить экспериментально подтвержденный факт, что повышение усталостной прочности деталей является одним из эффективных технологических назначений ОУ динамическими методами ППД.
