Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

PREDICTIONELECTRODE WEARTOOL DURINGELECTRICAL DISCHARGE MACHININGBASED ON THE CRITERIAOF NONLINEAR DYNAMICS

Burdasov E.N. 1 Sarilov M.Yu. 1 Breev S.V. 2 Linev A.S. 1
1 FGBOU VPO «Komsomolsk-on-Amur State Technical University»
2 JSC «Komsomolsk-on-Amur Aircraft Manufacturing Association»
Проведено исследование литературных источников, приведены эмпирические формулы, описывающие процессы в зоне обработки, и графиков, построенных на основе осциллограмм, в результате чего сделан вывод о нелинейном изменении как вольт-амперной характеристики процесса обработки, так и выходных параметров процесса. Обосновано применение критериев нелинейной динамики для прогнозирования процесса износа электрода-инструмента. Произведено планирование эксперимента в соответствии с математической моделью нелинейной корреляционной зависимости. Были построены графики зависимости износа и фрактальной размерности от основных входных параметров электроимпульсной обработки (частота, скважность), а также фрактальной размерности от самого износа и производительности. На основании самоподобия данных графиков сделан вывод о возможности использование подходов нелинейной динамики для прогнозирования износа электрода-инструмента.
The study of literature, the empirical formulas for the processes in the treatment zone, and graphs that are based on waveforms, resulting in the conclusion of a non-linear change of the current-voltage characteristic of the treatment process, so the output process parameters. The application of the criteria of the nonlinear dynamics for prediction of tool-electrode wear. Experimental design produced in accordance with a mathematical model of the nonlinear correlation. Were constructed graphs of wear and the fractal dimension of the main input parameters of electro treatment (to the frequency, duty cycle), as well as the fractal dimension from the wear and performance. Based on the self-similarity of these graphs conclusion on the possibility to use a non-linear approach to predict the dynamics of the tool-electrode wear.
synergy
self-organization
fractal dimension
wear
voltage
amperage
1. Kabaldin Ju.G., Sarilov M.Ju., Bilenko S.V. Povyshenie ustojchivosti processa jelektrojerozionnoj obrabotki i kachestva obrabotannoj poverhnosti na osnove podhodov iskusstvennogo intellekta. Monografija. Komsomol’sk-na-Amure, KnAGTU 2007. 191 р.
2. Linjov A.S., Sarilov M.Ju., Zlygostev A.M. Rol’ plazmennogo kanala i meha-nizmy teploperedachi v processe jelektroiskrovoj obrabotki – Uchenyezapiski Komsomol’skogo-na-Amure tehnicheskogo universiteta «Nauki o prirode i teh-nike». 2011. no. 6–1(2). pp. 57–63.
3. Burdasov E.N., Sarilov M.Ju. Akusticheskaja jemissija i ee primenenie dlja issle-dovanija processa jelektrojerozionnoj obrabotki. Materialy Rossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Fundamental’nye issledovanija v oblasti tehnologij dvojnogo naznachenija». Komsomol’sk-na-Amure: FGBOU VPO KnAGTU. 2011. pp. 224–226.
4. Linjov A.S., Sarilov M.Ju. Issledovanie teplovyh processov pri razlichnyh metodah obrabotki. Mezhdunarodny jzhurnal prikladnyh i fundamental’nyh issledovanij. Moskva: «Akademija Estestvoznanija». 2011. pp. 104–105.
5. Bilenko S.V., Sarilov M.Ju., Burdasov E.N., Maslacova A.Je. Issledovanie pro-cessa jelektrojerozionnogo proshivanija otverstij Fundamental’nyeissledova-nija. – Moskva: Izd-vo RAE. 2012. no. 9. pp. 882–888.

Интенсивное использование электроэрозионной обработки (ЭЭО) в настоящее время обусловлено очень динамичным развитием как отечественного, так и мирового машиностроения. Одним из важных направлений повышения качества и точности электроэрозионной обработки материалов в современном производстве является контроль и прогнозирование износа электрода-инструмента и оценка шероховатости обрабатываемой поверхности. Однако, как показал анализ результатов исследований, существующие методы не позволяют комплексно контролировать износ электрода-инструмента и шероховатость в процессе обработки материалов, а, следовательно, выходные параметры с высокой степенью достоверности в режиме реального времени.

Электроэрозионная обработка в реальных условиях представляет собой существенно нелинейный, стохастический процесс, при этом является сложным физическим процессом, экспериментальное исследование которого в значительной степени затруднено вследствие сложности внедрения измерительных приборов непосредственно в зону обработки. Физико-химические процессы, протекающие при электроэрозионной обработке, очень сложны и скоротечны, поэтому могут быть описаны только качественно.

В настоящее время нашла широкое применение нелинейная динамика, в частности, методы фрактального анализа и теории информации, позволяющие находить глобальные взаимосвязи между переменными, входящими в структуру системы управления, и на основании этого производить оптимизацию обработки. При этом по величине фрактальной размерности сигнала судят о степени хаотичности самого процесса. Анализ стабильности процесса по величине фрактальной размерности невозможен без исследования структуры самого сигнала. Только в том случае, если исследуемый сигнал имеет фрактальную структуру, то есть возможность определения зависимости фрактальной размерности сигнала от каких либо параметров обработки [1, 3].

На основании литературного обзора и теоретических исследований была выявлена ярко выраженная нелинейность зависимостей при ЭИО (рис. 1).

а)pic_12.tifб) pic_13.tif

Рис. 1. Импульсный характер тока и напряжения при ЭИО (а) и вольт-амперная характеристика ЭИО (б)

Была использована система нелинейных уравнений, описывающая ЭИО [2, 4]:

Общая энергия разряда:

Eqn4.wmf

Уравнение теплопроводности (Фурье) для ЭИО

Eqn5.wmf

Производительность обработки

Eqn6.wmf

Износ электрода-инструмента:

Eqn7.wmf

Уравнение динамики изменения меж­электродного зазора

Eqn8.wmf

Средняя мощность, подводимая к МЭП

Eqn9.wmf

Число пробоев МЭП за период времени То

Eqn10.wmf

где i(t) – сила тока единичного импульса, А; u(t) – напряжение единичного импульса, В; dt – время одного импульса, с; r – плотность материала электрода, кг/м3; l – теплопроводность, Вт/м°С; T – температура, °С; q – мощность источника тепла, Вт; f(t) – частота импульсов, Гц; z, t – текущие координата и время; Vп – скорость подачи ЭИ; К1 – эмпирический коэффициент, характеризующий эрозийную стойкость материала электрода-заготовки; К2 – эмпирический коэффициент, характеризующий степень влияния режима обработки на шероховатость поверхности; К3 – коэффициент, характеризующий разрушение материала электрода заготовки на единицу вводимой энергии; К4 – эмпирический коэффициент, характеризующий степень влияния силы тока на износ ЭИ; К5 – коэффициент учитывающий условия обработки; Eqn11.wmf – средняя мощность, подводимая к МЭП; То – рассматриваемый период времени обработки; f – частота следования импульсов; K – объемная концентрация проводящих частиц с размерами, много меньшими величины зазора.

Для получения максимальной информативности при минимальном объеме экспериментальных работ при разработке стратегии исследования на первом этапе был использован метод математического планирования эксперимента.

По методике многофакторного эксперимента был запланирован и реализован эксперимент, ставящий целью изучить влияние параметров обработки на износ ЭИ и шероховатость обработанной поверхности. Из всего многообразия факторов были выбраны: частота следования рабочих импульсов f, кГц, скважность q, количество гребней в импульсе k, шт. Названная совокупность факторов удовлетворяет требованиям совместимости и отсутствия линейной корреляции.

В качестве объекта экспериментальных исследований использовался электроэрозионный копировально-прошивочный станок с адаптивным программным управлением модели 4Л721Ф1 с широкодиапазонным генератором импульсов ШГИ-40-440М с номинальным током 40 А и максимальной частотой следования импульсов 440 кГц. В системе отсчета глубины обработки детали применены устройство цифровой индикации типа Ф5246 и бесконтактный сельсин БС-155А. В системе рабочей подачи электрода-инструмента применен высокомоментный двигатель постоянного тока ДПУ 127-220-1-30-Д09 со встроенным тахогенератором ТГ1 и комплектный привод типа ЭШИР-1-А с транзисторным широкоимпульсным преобразователем. При проведении исследований использовались следующие рабочие жидкости: сырье углеводородное для производства сульфанола (ТУ 38.101845-80) и рабочая жидкость РЖ-3 для электроэрозионных станков (ТУ 38.101883-83).

Результаты эксперимента были обработаны по методике, приведенной во второй главе. В результате обработки были получены следующие уравнения в натуральных величинах:

γ(f, q, k) = 0,0024f2 – 0,0088fk – 0,084fq + 0,03f + 0,11k2 – 0,11kq – 0,09k + 0,15q2 + 3,51q – 0,83.

и его графическое отображение (рис. 2).

γ(q, k)pic_14.tif γ(f, k)pic_15.tif γ(q, f)pic_16.tif

Рис. 2. Графическое отображение кривой зависимости износа электрода инструмента от параметров обработки

Тем самым была подтверждена гипотеза нелинейности процесса ЭИО.

Для установления зависимости между износом ЭИ, фрактальной размерности сигнала АЭ от частоты следования импульса и скважности был проведён ряд экспериментов, результаты которых представлены на рис. 3 и 4.

В результате проведённых экспериментальных исследований было выявлено, что характер зависимостей скорости износа ЭИ и фрактальной размерности сигнала АЭ от параметров обработки самоподобны, т.е. между ними существует корреляция, причем для всех обрабатываемых материалов. Это позволяет использовать фрактальную размерность в качестве диагностирующего признака при оценке износа ЭИ.

Также исследования показали, что наиболее тесную корреляцию с производительностью ЭИО имеет один из параметров сигнала АЭ – фрактальная размерность (рис. 5). Т.е. фрактальная размерность сигналов, регистрируемых в процессе ЭИО, может являться диагностическим показателем эффективности обработки.

В результате анализа экспериментальных данных установлено, что фрактальная размерность сигнала АЭ изменяется в сторону увеличения от скорости износа и существенно зависит от обрабатываемого материала, т.е. возрастает степень хаотичности ряда.

Параметры нелинейной динамики позволяют судить об износе электрода-инструмента и шероховатости обработанной поверхности в процессе электроимпульсной обработки, что позволяет проводить прогнозирование износа инструмента и оценку шероховатости в режиме реального времени, что в свою очередь позволяет повысить точность и качество обрабатываемой поверхности. Применение подходов нелинейной динамики для исследования электроэрозионной обработки оправдано и целесообразно.

pic_17.wmf pic_18.wmf

Рис. 3. Зависимости износа электрода-инструмента и фрактальной размерности сигнала АЭ от частоты следования импульсов для различных обрабатываемых материалов

pic_19.tif pic_20.tif

Рис. 4. Зависимости износа электрода-инструмента и фрактальной размерности сигнала АЭ от скважности для различных обрабатываемых материалов

pic_21.tif

Рис. 5. Зависимость фрактальной размерности сигнала АЭ от производительности электроимпульсной обработки различных материалов

pic_22.tif

Рис. 6. График зависимости фрактальной размерности от скорости износа медного электрода-инструмента при электроимпульсной обработке различных материалов

Рецензенты:

Биленко С.В., д.т.н., советник ректора по вопросам информатизации, ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», г. Ком­со­мольск-на-Амуре;

Черномас В.В., д.т.н., зав. лабораторией «Новые технологии в металлургии», УРАН ИММ ДВО РАН, г. Комсомольск-на-Амуре.

Работа поступила в редакцию 14.02.2013