CC BY
90
УДК 621.9.047
Машиностроение и машиноведение
КРИТЕРИАЛЬНАЯ СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
С.В. Сафонов
Разработан и обоснован новый принцип полезности, позволяющий эффективно изменять эксплуатационные поверхностного слоя изделий, работающих в условиях высоких силовых нагрузок, температур или знакопеременных внешних воздействий. Предложенная в работе критериальная оценка технологических воздействий позволила научно обосновать применимость известных и целесообразность создания новых видов формирования поверхностного слоя с учетом временных и финансовых ограничений. Рассмотрены возможности и технологии создания комплексных процессов, расширяющих технологические возможности исполнителей при создании изделий новых поколений техники
Ключевые слова: критерии полезности, система, технологии, ограничения, методы оценки результативности, воздействия
Для критериальной оценки уровня полезности введены следующие обозначения:
Пр1, Пр2, ... , Прп - показатель 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;
V ■ V ■ V ■ V ■ V ■ V
Ко1, Ко2; ... , Коп, Кд1, Кд2; ... , Кдт -
векторные коэффициенты 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;
К, К, . • • , - положительный
коэффициент полезности, получаемый от применения технологических средств совершенствования поверхностного слоя при воздействии на достигнутый уровень эксплуатационного показателя изделия;
Сафонов Сергей Владимирович - ВГТУ, канд. пед. наук, профессор, тел. 8-473-246-29-90, e-mail: safonov@vorstu.ru
Г Г I
K , K2 , ... , Km - коэффициент
оценивающий возможность снижения эксплуатационных показателей от применения технологического воздействия на
поверхностный слой изделия критериями использования технологических воздействий на поверхностный слой изделия являются
K , К2, ... , Kn ^ max, (1)
t Г I
Kl , K2 , ... , Kn ^ min, (2)
Общий критерий полезности имеет
вид:
Kol (K0i ) По1 > ПР1,
Ko2(Ko2 )По2 > Пр2 , (3)
- ^ '
Kon(Kon )Поп > Прп '
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 выполнятся с использованием теории подобия [1] и нестрогого предпочтения [2]. 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. Если Пд[
Ка, П01 > Пр„ то для «i»
технологического воздействия принимается Пр, = ПдА и согласовывается с разработчиком возможность снижения заданных
эксплуатационных показателей до уровня Пй. Здесь может быть несколько вариантов:
- согласиться с использованием технологических воздействий достигнутого уровня;
- предоставить технологам время на разработку новых методов и средств для совершенствование поверхностного слоя и достижения первоначально заданного уровня эксплуатационных показателей изделий;
- использовать комбинированные технологии, учитывающие при одновременном воздействии на показатели слоя нескольких способов
Кт1(ПоО+ Кт1 (П02) + ■■■ + Кт1 (Пот) ^ ^ Ктах(По), __(4)
где т = п+ - п, т = 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), которая для положительных воздействиях становится выпуклой и имеет вид:
П
П01(К01) = ехр(—£К012), (5)
1
Показатели, снижающие воздействия описываются вогнутой функцией вида
р( Под = —ЦК,
(6)
где ф - оператор, который представляет совокупность монотонно изменяющихся функций, где критерием является
р(пт,к,т,) >р(по, к,т,), (7) где т - время действия на объект для достижения требуемого (или ожидаемого) эксплуатационного уровня.
Сочетание различных видов воздействий (К0) должно дать
- П
Ктах о > Ко, (По, ) >-Р- , (8)
о,
Если применять комбинированные воздействия, то Ктах о ^ К^тах о.
Период времени (т0) 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
То = Тпп + Т1 + Тк + Ти + Тд < Ту, (9)
где Тпп - время подготовки производства для использования технологии
совершенствования поверхностного слоя для повышения эксплуатационных показателей изделия;
т1 - время изготовления первой детали с новым поверхностным слоем;
тк - трудоемкость контроля первой детали; Ти - трудоемкость испытаний изделия (или детали)изготовленной по новой технологии;
Тд - период доработки (если требуется) используемого технологического процесса.
Для решения задачи о суммарном действии внешних воздействий и достижения экстремального значения уровня полезности необходимо:
- наличие шкалы значений
К
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 При Пд-, т.к. усредненные значения шкалы полезности более строго нивелируются среди этих показателей;
- упрощенной оценкой уровня полезности одного из заданных разработчиком главного эксплуатационного показателя (Пр-) 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 ПдЕ.
Алгоритм построения системы критериальной оценки уровня полезности приведен на рисунке.
Здесь, как правило,
Ко,(По-) < Кр,(Пр,) < Кд,(Пд-), (10)
Алгоритм на рисунке 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 рисунку метода технологического воздействия на состояние поверхностного слоя зависит от информационной базы (базы знаний), которая должна постоянно пополнятся по мере освоения новых изделий. Оценку достаточности имеющийся информационной базы можно выполнить по общему критерию "Р" [2]
P = £ Kdfldi- - J (£ (Kpflpi- K0fl0i)dz,
(11)
V 0 0
где у - доля «i» воздействия относительно заданного разработчиком.
1 г п
Если - J (X (кр1пр1- koinj) ^ 0, то W 0 0
Р ^ max, (12)
Тогда функция «Р» становится функцией насыщения и может быть решена по зависимости
P = ZКП -Z(Kpflp, -КП)т(1 -e-n
di di 1 1
e /Ui) ^ max
(13)
где /л - показатель интенсивности роста
"Р".
Решение уравнения (13) выполняется методом подобий [1]. Здесь апроксимация может быть выполнена по аналогии с управлением электрическим полем [2]. Условие Kjai ^ max, отвечает
зависимости, свойственной апериодичному регулятору, который позволяет
минимизировать время стабилизации параметра (в нашем случае время реализации известных (Пог) или разрабатываемых (Пй) показателей воздействий
где Ку - коэффициент, учитывающий взаимное влияние технологических
воздействий.
Решение (14) имеет вид:
КР1 = Ку Кд1 (1 - e Тд ), (15) где тд - период времени, необходимый для разработки и освоения перспективного способа воздействия;
то - период доработки и освоения имеющегося способа воздействия;
тр - время освоения способа воздействия. Эффективность выбора требуемого способа изменения в нужном направлении воздействия на поверхностный слой материала зависит от минимизации требуемого объема информации, обеспечивающей условие
Пт > П,
где I oi - может быть единичным или
обобщенным показателем.
Граничным показателем оценки полезности является себестоимость разработки или адаптации к конкретному изделию достижимого показателя (П), которая оценивается через стоимость (С) выпускаемого объекта производства. Для этого должен выполнятся критерий
С ^ min при Пы ^ max. (16) (16) Показатель "С" изменяется по эскпоненциальной зависимости вида
С = exp [f (Пд1, Пд2, ..., Пдт)], (17) где f (Пд1, Пд2, Пдт) - функции факторов Пдь Пд2, ..., Пдт, влияющих на полезность технологических воздействий.
Для получения численных оценок каждого показателя следует линеализировать зависимость (17) через полином "П":
c = kf (пд1) = к п f (пд1),
(18)
Решение возможно путем наименьших квадратов путем установления "min" в (16). Для этого используют матричный метод в виде (X'X)A=X'Y, (19)
где X' - матрица исходных независящих друг от друга достигаемых эксплуатационных показателей;
X - матрица достигнутых показателей; А - матрица коэффициентов полезности; Y - матрица заданных показателей.
r = Kу (Kdl- Кр1 )dr,
(14)
Т„-Т
г
Алгоритм критериальной оценки уровня полезности технологических воздействий на
эксплуатационные показатели изделий
Тогда
А
К1 ПП П Р1
К 2 , X Пд 2 Пд2 , У П Р 2
К я ПдтПдт П рп
А = (XX)X У)
(22)
(20)
В (20) Пй - комплексный показатель
полезности, достижимый за счет нескольких технологических воздействий.
Матрица исходных данных имеет вид
ПЛ1 Пл
X =
ПЛ, П,
Пдт П
дт
(21)
Решение уравнения (20) выполняют в виде обращения матриц
где (XX) 1 - 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.
Критерии, определяющие полезность воздействий [3] на поверхностный слой изделий, приведены в таблице. Здесь укрупненно показана критериальная оценка основных воздействий, часть которых может изменять вектор воздействия в зависимости от условий применения способа.
различных видов технологических воздействий
Вектор полезности на эксплуатационные показатели изделий (+ - повышение, - - снижение, 0 - не оказывает существенного воздействия, оо -влияет при особых условиях)
Виды воздействий Способы воздействий 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 Химикотермическое * 0 0 + + + оо
поверхностного слоя 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:
ЭЭП**** 0 + + - + +
- однородного слоя 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
В таблице не рассматриваются общеизвестные технологические приемы (например, цементация, азотирование, цианирование) достаточно полно освещенные
***ЭМО - электрические методы обработки ****ЭЭП - электроэрозионное покрытие *****ЭХ - электрохимическое покрытие
в справочной литературе. Значительная часть технологических способов и воздействий, приведенная в таблице, находятся на уровне изобретений и пока слабо изучены, хотя их
применение в перспективных изделиях весьма желательно.
При наращивании однородного слоя (таблица) 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 (таблица) 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
[3].
Заключение
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.
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.
Литература
1. Безъязычный, В.Ф. Метод подобия в технологии машиностроения [Текст] / В.Ф. Безъязычный. - М: Машиностроение, 2012. - 320 с.
2. Смоленцев, В.П. Использование векторного критерия нестрогого предпочтения при выборе допустимых решений [Текст] / В.П. Смоленцев, Н.М. Бородкин // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Вып. 8. Часть 2. - Воронеж: ВГЛТА, 2003. - С. 5-15.
3. Сафонов, С.В. Повышение эксплуатационных характеристик деталей путем модификации поверхностного слоя [Текст]/ С.В. Сафонов, В.П. Смоленцев, А.И. Портных. В монографии «Прогрессивные машиностроительные технологии, оборудование и инструменты». В 5 т. Т.3; под ред. А.В. Киричека. - М: Изд.дом «Спектр», 2014. - С.365-406.
Воронежский государственный технический университет
THE CRITERIAL SYSTEM IN PLANNING AND USING THE TECHNOLOGICAL PROCESSES FOR ENHANCING THE OPERATING CHARACTERISTICS OF THE SURFACE LAYER
S.V. Safonov
The new principle of utility has been developed and substantiated which makes it possible to effectively vary the operating characteristics of the surface layer in products, working under high power loads, temperatures or alternating external impacts. The proposed criterial assessment of technological impacts has provided the scientific justification for applicability of the known types of surface layer creation, and desirability of developing new ones, with account of time and financial constraints. The paper investigates the opportunities and technologies of devising complex processes, which enhance the technological capabilities of actors when creating the new-generation equipment
Key words: utility criteria, system, technologies, constraints, the methods of efficiency evaluation, impacts
