Моделирование процесса модификации и изменения толщины покрытий Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 681.2; 621.9.047

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА МОДИФИКАЦИИ И ИЗМЕНЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ

С.В. Сафонов

В работе рассмотрено моделирование процесса, обоснование метода и возможности проектирования технологии модификации поверхностного слоя и управляемого изменения толщины покрытий, наносимых на металлические детали с целью улучшения эксплуатационных свойств изделий. Выбор способа и технологии производится методом многокритериальной оптимизации процесса на стадии технологической подготовки производства

Ключевые слова: моделирование, способы, технологии, эксплуатационные показатели, модификация, проектирование

Введение

В работе [1] установлено, что проектирование комбинированных

технологических процессов, обеспечивающие предельно возможные эксплуатационные показатели изделий, возможно, если научно обоснованно использовать ранее созданные технологии, целенаправленно разрабатывать перспективные методы и средства модификации поверхностного слоя и изменение толщины покрытий с приданием им нужных эксплуатационных характеристик.

В основе проектирования лежит моделирование процессов путем оптимизации, как отдельных воздействий, так и их комплексов.

Моделирование процесса

Разработка модели может выполняться, если обоснованы начальные и конечные условия, определяющие область ее применения для проектирования эффективных технологических процессов, особенно при производстве современной наукоемкой техники (в авиакосмической отрасли, транспортном, специальном машиностроении).

В основу модели положена научная концепция о возможности критериального выбора совместимых воздействий с помощью принципа полезности.

Начальные условия для построения модели:

1. Наличие исследованных методов и средств модификации поверхностного слоя и изменения его толщины для получения требуемых эксплуатационных свойств изделий.

Сафонов Сергей Владимирович - ВГТУ, канд. пед. наук, профессор, тел. 8(473)246-29-90, e-mail: [email protected]

2. Возможность разработки новых технологических процессов модификации и изменения толщины покрытия для оптимизации характеристик изделий в допустимые сроки их создания.

Граничные условия:

1. Предельные показатели эксплуатационных свойств изделий с модифицированным поверхностным слоем.

2. Обоснованность финансовых и временных затрат на создание новых процессов.

3. Возможность и целесообразность использования и приобретения требуемых технологий на стороне.

4. Степень собственной правовой защиты требуемых способов и устройств.

При разработке рассмотрены и использованы следующие научные гипотезы:

- имеющиеся в технике и вновь создаваемые технические воздействия на поверхностный слой деталей из металлических материалов способны значительно повысить эксплуатационные показатели изделий, вплоть до теоретически возможного уровня;

- механизм управляемого сочетания воздействий на материал позволяет спроектировать комбинированные технологические процессы, которые учитывают условия подобия работы имеющихся и вновь создаваемых технологических систем для наиболее полного использования имеющегося потенциала поверхностного слоя материалов;

- имеющиеся и вновь разрабатываемые технологические воздействия на поверхностный слой позволяют усилить положительные эксплуатационные показатели изделий и снизить или устранить негативное влияние на эти показатели.

Научная проблема, решаемая в процессе моделирования процесса модификации и изменения толщины покрытий, содержит научное обоснование и формализацию связей между возможностями технологических воздействий на поверхностный слой и заданными эксплуатационными показателями, формируемыми путем сочетания известных и вновь создаваемых технологических приемов с учетом ограничений по финансовым и временным критериям, специфичным для различных отраслей машиностроения.

Моделирование может выполняться в виде задачи многокритериальной

оптимизации с булевыми переменными [2]. Моделирование формируется на критериях, изложенных в [1]. Конечный результат синтеза (¿) внешних воздействий на изделие

(и).

Rc« (ип, пе Пр }, (1)

где < - декартово произведение, I =0, Пр -множество возможных технологией изменения свойств поверхностного слоя для конкретного изделия;

П - заданный разработчиком параметр изделия и, где определяющее воздействие оказывает Прг, где Пр - заданный показатель полезности 1-го воздействия; R -

результирующий показатель комбинации воздействий; п-количество используемых воздействий.

Технологический процесс может быть задан через множества (тг)

¿с<{тг; ¿ет}, (2)

где ¿=0, т - множество внешних воздействий, реализуемых в возможных технологических процессах модификации и покрытий поверхностного слоя; т - количество перспективных реально достигаемых технологических воздействий на

поверхностный слой для повышения эксплуатационных показателей изделия

Возможность реализации процесса оценивается

Пл Пл, (3)

где Пог - достигнутый показатель полезности -1-го воздействия при взаимном влиянии воздействий

По; =<№>, (4)

где Кг - коэффициент полезности одного или нескольких внешних воздействий; Кг -коэффициент, характеризующий

положительное воздействие на П К-

коэффициент, отражающий негативное воздействие на процесс (ПО.

Механизм проектирования

технологического процесса модификации и изменения толщины поверхностного слоя для обеспечения заданных эксплуатационных показателей строится на закономерности <Ri , Кд1 >= arg ext P{^c(R, K)® Пд1 }=

= П*;»е n, (5)

где Р - вероятность положительного воздействия факторов (КК01 ; ККд1); - функция, характеризующая связь между

технологическим воздействием и главным эксплуатационным показателем, зависящем от характеристик поверхностного слоя. Функция (5) определяет выбор воздействий для обеспечения наибольшего уровня полезности

Гд! ( i= 1, т), где Кд1 (1, т) (6) Моделирование процедуры проектирования технологии выполняется с учетом возможностей достигнутых и достигаемых воздействий в несколько этапов:

1. Определение количества допустимых решений (R) с учетом принятых ограничений и начальных условий (Т - допустимый технологический процесс из совокупности существующих (Т).

ReR (7)

ТеТ (8)

2. Сравнительный анализ единичных воздействий

<R~ Ti> при R ®Т (9)

3. Возможность проектирования допустимой технологии (Т) при комбинированном воздействии несколько факторов.

4. Группирование воздействий допустимых технологий (Т) при условии ЯдТ ^ max; Ад ^ min.

На первом этапе выполняется формирование групп воздействий ReR; ТеТ, обеспечивающих По или Пд.

Для конкретного изделия (U) находится минимальный набор технологических воздействий (Г;).

Для достигнутых показателей (П0г )

Пог = argmm£f=iSiT. i = Inj aiTi SiT > 1; i = 1, n )

Для достижимых (Пд)

Пд; = argminEi1^ ; i = 1,m

E" aiT 5iT > 1; í= 1,m Здесь Пд достижимый воздействия; SiT

показатель булевы переменные, которые определяются по критериям:

с- _ Í1, если Т; ^=1 0, ес

aiT = {

входит в -Ti е Т; если не входит

1, если Гг с Т 0 если не принадлежит Оценку воздействий выполняют зависимостям, приведенным в таблице. Выбор факторов при проектировании технологий с единичным и комбинированным воздействием

по

Описание процесса Вид технологического процесса

С главным единичным воздействием С комбинированным воздействием нескольких факторов

Логические связи Оценка по главному (генеральному) воздействию Рассматриваются комбинированные воздействия на заданный эксплуатационный показатель

Формализация связей Т^и при ¿=1, т ¿еТд^г ; 1= 1/п

Критерий выбора технологий 1С (Тд^ .........Тдтип 1С (Тд!и1.........Тдтит )> > СТлЦ .........Т0тит )

На следующем этапе проектирования необходимо обосновать выбор одного главного (генерального)воздействия F.

№„, Sim) = arg maxP (Уи Sin , Sim) = Ft ; i£n,í£m

U с arg min Koi i = 1, n

£i n8in =1; i = 1,n

Eim5im = 1;

Ш>П0г (^?дг);П0; >ПРг k

1, если Пдг(яДг) > пРг(^^дг)

г = 1, т

Чо = 1 и i-pi = 1 и =

(о, если Пог(Ког) < Прг(Крг)

(13)

Для

(таблица) известных (n) воздействий

комбинированного воздействия требуется упорядочивание как так и перспективных (т) по эксплуатационным

показателям. Здесь для каждого главного (генерального) показателя может оказаться несколько сочетаний воздействий, где присутствуют как положительные (K() так и негативные (А^) показатели. После

ранжирования воздействий выполняется перебор их комбинаций с учетом ограничений и уровня полезности. После этого формируется технологический процесс для модификации и изменения геометрии поверхностного слоя.

Для оценки результата взаимного воздействия нескольких факторов может быть использована система

8in = arc ext (Пд£ = ^ [ f(Sin )]}' E"5ín = 1, n=1,n Ef Sim =1, m = 1,m

Кд, — Koi + n^in

< n — 1, n = 1, n

(14)

где Пдг -допустимый показатель достижимого уровня воздействия при ^ max, АД ^ min; △ - оператор входящих разностей.

Объединение воздействий в п = 1, г,

и 5,-

группы производится с in и 8im.

т = 1, т помощью булевых переменных

Если принять, что суммарное воздействие в (14) возможно создать только при отсутствии внутренних преобразований (например, химических реакций), то 81т =

= 1,т = 1,т Пд! (^ц) > Ш ОО (15)

81т = 1, если Пд! с П

81т = ° если Пд^ ф Ш Суммарное воздействие должно как положительное, так и отрицательное влияние проектирующего процесса на

эксплуатационные показатели

Пох С2?Ш (ß0i) пРи Ш (^Ö7)— min (16)

m

ПдЕ c ^^¿(ЛдО пРи ^itfQ — ™-in

i

При разработке методологии

проектирования технологических процессов для изменения параметров поверхностного слоя может использоваться несколько структур:

- если имеется необходимость использования только одного воздействия, заданного разработчиком, для получения эксплуатационного показателя Прг .

Здесь решается задача линейного программирования с попарной оценкой К01, Кш и КД1, Кд1, как показано в таблице;

- если имеется суммарное требование к достижению эксплуатационного показателя путем комбинации нескольких независимых технологических воздействий. Здесь проектирование комбинированного процесса выполняется по критериям (15), (16). Оценочным показателем служит критерий

Пдг (ЯДТ ) > Прг , если Пдг > П0г (17)

П0г(С ) > Прг , если Пдг < П0г (18)

При этом учитываются ограничения по требуемому времени разработки (при необходимости) нового технологического режима и обоснованности финансовых вложений на разработку (рассматривается в форме ограничений в модели).

- если суммарное эксплуатационное требование может быть реализовано при использовании нескольких физических воздействий, все или часть которых преобразуется в новые воздействия в процессе проведения технологических операций по изменению характеристик поверхностного слоя.

Здесь имеет место многокритериальная задача с минимизацией числа воздействий по зависимостям (10), (11) и вероятностным показателем исполнимости принятого технологического решения "Р".

Реализация системы проектирования техпроцессов совершенствования поверхностного слоя

Построение системы базируется на состоянии имеющихся и перспективных разработок в рассматриваемый период времени и допустимых интервалов до получения требуемых процессов,

включающего достижение конечного результата (период tR)

T1,....., tR < to + tд ,

где to - время освоения процессов для получения ПР ; ^ - время, необходимое для разработки наиболее трудоемкого

достижимого показателя Пд тах.

Система включает:

- параметрическую адаптацию имеющихся и проектируемых воздействий к их возможностям воздействия на поверхностный слой, обеспечивающих получение заданного (ПР) или перспективного ( Пд тах) эксплуатационного показателя;

- структурную адаптацию воздействий к комбинированным технологическим процессам формирования поверхностного слоя;

- параметрическую и структурную адаптацию к ранее используемым технологиям изготовления аналогичных объектов производства. Для заданных (ПР), достигнутых (П0), достижимых (Пд) эксплуатационных показателей требуется соответственно n и m воздействий. Требуемая система может быть сформирована проектированием технологических процессов (Т) при наибольшем воздействии критерия полезности (К).

Кд1 (Т1,Т2......Tm ); i = 1,т '

Кди i= Tjn — min (19)

ЛГдг, i = 1, т —> min Пдг c П0г c ПРг

Проектирование осуществляется в несколько этапов, которые включают:

- детализацию требуемых (заданных) эксплуатационных показателей и оценку уровня значимости каждого параметра с учетом возможности использования достигнутых воздействий;

- далее по критериям (5), (6) формализуют реальные связи между заданными, достигнутыми и достижимыми показателями и ограничивают множество внешних воздействий (n, m) граничными условиями, заданными, как правило, разработчиком. При необходимости детализируют воздействия до выявления главного векторного критерия полезности;

- для выбранных критериев полезности устанавливают диапазон возможных воздействий и показателей. Разрабатывают возможные сочетания воздействий для формирования вариантов комбинированных процессов, из которых назначают рабочий, учитывающий имеющиеся ограничения;

- детализируют процессы, учитывающие принятые воздействия, проводят их анализ на

соответствие критерию ПХ^чл)—>тах. Принимают решение о технологической подготовке производства для использования технологий, включающих достигнутые показатели полезности;

- затем обосновывается целесообразность создания новых процессов, учитывающих

воздействие при условиях Пд (^д!)—>тах; Пд (Кд[)—>тт. Здесь используется принцип подобия технических систем, подробно рассмотренный в [3];

- создается программное и информационное обеспечение имеющихся и проектированных технологических процессов, применяемых для формирования поверхностного слоя с требуемыми эксплуатационными показателями.

Заключение

Моделирование процессов,

обеспечивающих формирование

поверхностного слоя, необходимого для повышения эксплуатационных свойств изделий, может быть выполнено на базе булевых переменных, открывающих возможность объективно устанавливать связи между параметрами технологических процессов и эксплуатационными

показателями, в которых количественные

оценки выполняются по предложенным в работе критериям полезности.

Приведенная в статье обобщенная модель реализует предложенные принципы и отражает методологию проектирования технологических процессов с использованием как известных, так и вновь создаваемых технологических воздействий на

поверхностные слои с прогнозированием достижения возможных и перспективных эксплуатационных показателей. Это представляет интерес для технологического обеспечения создаваемых

конкурентоспособных изделий новых поколений наукоемких изделий

машиностроения, особенно транспортной техники.

Обоснованные в работе начальные и граничные условия, рабочие гипотезы позволяют ускорить продуктивный поиск способов воздействий, проектирование, отработку и внедрение новых технологических процессов для формирования поверхностного слоя металлических изделий, эксплуатируемые в напряженных условиях, в том числе в агрессивных и криогенных средах.

Литература

1. Сафонов, С.В. Повышение эксплуатационных характеристик деталей путем модификации поверхностного слоя [Текст]/ С.В. Сафонов, В.П. Смоленцев, А.И. Портных // Прогрессивные машиностроительные технологии, оборудование и инструменты: монография: в 5 т.; под ред. А.В. Киричека. - М. : Изд.дом «Спектр», 2014. - Т.3. - 416 с.

2. Меткин, Н.П. Технологическая подготовка гибких автоматизированных сборочно-монтажных производств в приборостроении [Текст]/ Н.П. Меткин и др. - Л: Машиностроение, 1986. - 192 с.

3. Безъязычный, В.Ф. Метод подобия в технологии машиностроения [Текст] / В.Ф. Безъязычный. - М: Машиностроение, 2012. - 320 с.

Воронежский государственный технический университет

MODELLING THE PROCESS OF COATING THICKNESS MODIFICATION AND VARIATION

S.V. Safonov

The paper considers the process modelling and the rationale for the method and possibilities of planning the technology of surface layer modification and controlled thickness variation in coatings, deposited onto metal parts for enhancing the performance parameters of products. The methods and technologies are selected by the method of multicriterial process optimization, at the stage of production engineering

Key words: modelling, methods, technologies, performance parameters, modification, planning