Оптимизация процессов алмазной обработки керамики на основе системного анализа

УДК 621.91

В. П. Бахарев, А. С. Верещака, М. Ю. Куликов, С. Л. Леваков

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ АЛМАЗНОЙ ОБРАБОТКИ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ СИСТЕМНОГО

АНАЛИЗА

В работе представлен обобщенный алгоритм оценки технологической эффективности алмазной обработки керамики с использованием современных методов анализа и средств вычислительной техники.

Объективная оценка таких сложных и дорогостоящих процессов, как алмазная обработка керамики и подобных композиционных материалов, выбор оптимальных для них технологических критериев, возможна лишь на основе системного анализа. Это справедливо как для оценки процессов шлифования, так и алмазной доводки [1]. Процесс шлифования, осуществляемый при высоких скоростях резания, сопровождается гораздо более интенсивным энергетическим воздействием на состояние поверхностного слоя, нежели процессы отделочной обработки свободным и связанным абразивом. Поэтому и системный подход к анализу этих процессов будет несколько отличным от оптимизации лезвийной обработки металлов.

Рассматривая процесс шлифования керамики, как сложную технологическую систему, можно представить его в виде схемы (рис. 1). Технико-экономическая эффективность этой системы может оцениваться различными показателями:

технологическими - повышение размерной точности и точности формы и расположения поверхностей, снижение вероятности появления дефектов поверхностного слоя, повышение однородности и стабильности качества обрабатываемых деталей, сокращение основного времени обработки;

организационными - сокращение числа операций переходов путем совмещения предварительных и чистовых операций в одну, совершенствование цикла обработки и сокращение его длительности, снижение количества переналадок оборудования и внедрение прогрессивных форм организации производства;

экономическими - снижение трудоемкости обработки и себестоимости изготовления единицы изделия, снижение затрат, вызванных браком и приведенных затрат и др.;

социальными - улучшение условий труда и повышение культуры производства, использование современного оборудования и повышение безопасности труда.

Рис. 1. Структурная схема взаимосвязей в процессе шлифования керамики

© В. П. Бахарев, А. С. Верещака, М. Ю. Куликов, С. Л. Леваков, 2008

0

0

0

Все эти показатели неразрывно связаны между собой. Взаимосвязь различных подпроцессов в системе обработки (шлифование, доводка) вследствие синергетического эффекта взаимодействия не дает возможности выразить в явном виде функцию какого-либо параметра. Поэтому задачу оптимизации сводят к поиску приемлемых постоянных значений параметров режима резания с целью получения необходимого интервала выходных параметров. Метод искусственных нейросетей (ИНС), реализуемый на ЭВМ, позволяет превратить линейные зависимости в итерационные и, приняв интервал времени достаточно малым, рассчитывать значения параметров в любой момент времени. Поэтому для решения задач оптимизации процесса в рамках большой технической системы следует использовать специальные эвристические процедуры.

Анализ работ [3, 4, 5] показал, что при оптимизации обычно используются статистические модели с линейными ограничениями, для которых усредненные значения входных параметров не являются экстремальными для заданных условий. Экстремальное управление процессом возможно лишь при условии учета изменчивости входных параметров с течением времени. Поэтому при алмазной обработке необходимо учитывать обратные связи, обусловливая интенсивные изменения входных и выходных параметров [2].

При этом можно выделить три вида обратных связей.

1. Изменение геометрических параметров поверхностей режущего инструмента (притира) вследствие износа.

2. Изменение кинематики относительного движения инструмента и заготовки и динамический фактор [4].

3. Изменение структуры, физико-механических и теплофизических свойств поверхностных слоев вследствие нагрева, адгезии, диффузии и т. п.

4. Изменение свойств рабочей среды (наличие ПАВ, шлама и т. д.).

Принцип однозначности трактует, что максимизироваться или минимизироваться должна одна целевая функция ф(х), объединяющая несколько физических моделей по принципу справедливого компромисса:

ф(х )=£ ад

1=1

ватость обработанной поверхности Rz и величину нарушенного поверхностного слоя hн, основное время обработки Т, а эти критерии математически выразить через параметры подсистем (изменение характеристик материала обрабатываемой детали, инструментального шлифовального круга, режимы обработки, характеристики процесса микрорезания и технологической среды), то оптимизация большой технической системы может быть достигнута путем решения целевой аддитивной функции, составленной по принципу справедливого компромисса:

ф(Х )=£ ад =

1=\

= Кг~х + K2~ - Kй + Kйб - К5Т0,

где К^ К2, К3, К4, К5 - весовые коэффициенты (К1, К2, К3, К4, К5 < 1) - определены ИНС;

Кх, Кн, йм, йа6, Т0 - нормированные безразмерные критерии шлифования;

КхКх0 = Кх, ймймо = йм , йа6йа60 = й

а6

ККн0 = К ,

Т То = Т.

Поэтому, если в качестве критериев оценки процесса в первом приближении принять производительность микрорезания йм интенсивность износа абразивного (алмазного) инструмента йаб шерохо-

Для построения целевой функции, кроме весовых коэффициентов следует теоретико-экспериментальными методами или методом феноменологии определить достаточно универсальные модели производительности, износа абразивного инструмента, шероховатости обработанной поверхности и нарушенного слоя при шлифовании керамики. Оптимальное состояние большой технической системы «процесс шлифования» будет соблюдаться только тогда, когда субоптимальные состояния будут принимать составляющие ее подсистемы и критерии оценки [2].

Для нахождения оптимальных критериев и параметров целевой аддитивной функции (2) рекомендуется применять итеративные методы или метод ИНС с использованием специальных программ расчета на ЭВМ. В частности, одной из распространенных таких структур ИНС является многослойный персеп-трон с процедурой выбора оптимальной структуры сети методом динамического добавления нейронов [6]. Авторами [7, 8] приведены экспериментальные исследования и оптимизация процессов алмазной обработки корундовых керамических материалов, где зафиксированы некоторые подходы к решению поставленных задач.

Перечень ссылок

1. Розенберг О. А., Сохань С. В. Закономерности алмазной доводки керамических деталей типа «усеченный шар». //Резание и инструмент в тех-

188М1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 1/2008

- 97 -

нологических системах; Междунар. науч.-техн. сб. - Харьков: НТУ «ХПИ». - 2006. - Вып. 70. - С. 408-419.

2. Гусев В. В., Калафатова Л. П.. Обеспечение эксплуатационных характеристик изделий из конструкционной керамики на стадии их производства. /Современные технологии в машиностроении, т. 2, Харьков «НТУ ХПИ». - 2006. - С. 334346.

3. Оробинский В. М. Прогрессивные методы шлифования и их оптимизация. Учеб. пособие /Волг. ГТУ - Волгоград, 1996. - С. 218.

4. Якимов А. В. Оптимизация процессов шлифования. - М.: Машиностроение, 1975. - С. 176.

5. Попов С. А., Малевский Н. П., Терещенко Л. М. Алмазно-абразивная обработка металлов и твер-

дых сплавов. - М.: «Машиностроение», 1977. - С. 263.

6. Филимонов А. В., Климов А. Б. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006611532 (Россия) Neural network toolpak for MS Excel (06.05.06).

7. Смирнов Г. А., Бахарев В. П., Куликов М. Ю., Антюфеева Т. П. Исследование процессов финишной алмазной обработки корундовых керамических материалов //Вестник машиностроения, J№9. - 2001. - М.: «Машиностроение». - С. 56-60.

8. Куликов М. Ю., Бахарев В. П. Физико-математическая модель образования поверхностного слоя детали на операциях доводки. //Высокие технологии: развитие и кадровое обеспечение. Материалы XI международного научно-технического семинара 2001 г. - Харьков-Алушта: НТУ «ХПИ», 2001. - С. 107-111.

В po6omi надано загальний алгоритм оцiнки mexнологвiчноi ефеешшнммеашаююно:105.2007 обробки керамжю з застосовуванням сучасних cnoco6ie анализу i зacо6iв обчислювально'1' mexHiKU.

The article presents a generalized algorithm to evaluate the efficiency of diamond finishing of ceramic with the use of modern methods of analysis and computer technologies.