Системный анализ и синтез технологий обработки материалов

Технологию обработки материалов можно представить многоуровневой системой разных по назначению процессов и используемых для их реализации ресурсов. На нижнем технологическом уровне участвуют рабочие процессы физико-химического взаимодействия какого-либо инструмента и обрабатываемого вещества или материала, проходящие в соответствующей среде. Рабочие процессы в технологиях получения материалов, их фазовых превращений и размерной обработки строятся на базе различных физических, химических или комбинированных воздействий на объект. Воздействие всегда направлено на некоторый материальный объект (например, предмет производства), которым может быть отдельный элемент или совокупность взаимосвязанных элементов, образующих определённую структуру. К технологическим объектам относятся системы из макротел (в том числе сложные продукты, изделия), макротела (твёрдое тело – заготовка, жидкость, кристалл и т. п.), молекулы, атомы и элементарные частицы атома. Связь между объектами в целостной системе более упорядочена, более устойчива, чем связь каждого из элементов с элементами из внешней среды. Чтобы разрушить, преобразовать систему, выделить из системы тот или иной элемент, надо затратить определённую энергию. Эта энергия имеет разную физико-химическую природу и величину, которые зависят от типа взаимодействия между элементами системы.

Результатом воздействия на объект являются определённые физикохимические эффекты (ФХЭ), проявляющиеся на объектах или в окружающем их рабочем пространстве. К результатам воздействия относятся изменения параметров объектов (размеров, формы, физических характеристик, химического состава и т. д.). При постоянстве условий взаимодействия и свойств объекта проявляются одни и те же результаты воздействия.

На один объект может быть оказано несколько воздействий. Их можно подразделить на основные и дополнительные, которые приводят лишь к количественному изменению результата, получаемого от основного воздействия. Дополнительное воздействие не может вызвать данный результат без основного воздействия. Дополнительными воздействиями могут стать постоянно действующие воздействия – гравитационное и тепловое поля, а также воздействия, оказываемые объектами окружающей среды. Воздействия могут быть комбинированными, например, электромеханические, электрохимические, электронно-лучевые в газовой среде и многие другие.

На рис. 1 изображена обобщённая схема структурной модели отдельного ФХЭ, где А – внешнее основное воздействие, А_доп – дополнительное воздействие, А вн - воздействие, обусловленное внутренним преобразованием основного воздействия; В – физический объект, на который оказывается воздействие, С – результат (эффект) воздействия.

Рис. 1. Структурная схема модели ФХЭ.

Схематичное изображение модели ФХЭ позволяет наглядно представлять физические процессы, происходящие при взаимодействии материальных объектов, в том числе рабочие процессы в технологических объектах. Анализ моделей наиболее известных ФХЭ позволил выявить общие закономерности их проявления [4, 5].

Математическая модель ФХЭ характеризует зависимость результата воздействия (эффекта) С от воздействий А , А доп и А вн и параметров В технологического объекта (например, предмета производства), которую можно записать в общем виде при помощи векторно-матричной зависимости

С = f (А, Адоп, Авн, B, т), где С – вектор параметров результатов воздействий на объект, т.е. достигаемых в технологии физико-химических эффектов; А, Адоп, Авн – векторы параметров соответственно основного, вспомогательного и внутреннего воздействий на объект; B - матрица множества параметров технологического объекта; τ– время проявления ФХЭ.

Математическая модель ФХЭ должна удовлетворять следующим функциональным требованиям: определять количественные оценки результатов заданных воздействий при варьировании параметров технологического объекта; давать описание процесса проявления ФХЭ во времени (переходные и установившиеся процессы); быть пригодной для использования в инженерной практике, в частности при разработке новых технологий.

При одном воздействии на объект может проявляться несколько результатов воздействия, зависящих от структуры технологического объекта, например, предмета производства, элементов оборудования, оснастки и инструмента (табл. 1).

Основой функциональной схемы являются структурные элементы технологического объекта, на которых проявляются используемые ФХЭ. Такие элементы необходимо описывать наиболее детально, дополняя матрицу параметров В векторами координат пространства приложения воздействия к предмету производства и области распространения их результатов. Разнообразие технологических объектов и выполняемых на них рабочих процессов, представленных их функциональными схемами, значительно превышает количество обычно используемых в технологиях ФХЭ. Это объясняется тем, что на технологических объектах выполняются, как правило, конкретные рабочие процессы получения, преобразования, обработки исходного материала или вещества, основанные на использовании ограниченного числа возможных ФХЭ.

В большинстве своём технологические объекты представляют собой сложные системы, характеризующиеся множеством структурных элементов и связей между ними. Примером может быть упругая система станка, связывающая инструмент с обрабатываемой заготовкой в физической модели процесса резания. Рабочие процессы в таких объектах обычно основываются на результатах множества взаимосвязанных ФХЭ, модели которых могут быть различными [1, 2, 4]. Следовательно, для каждой конкретной технологии необходима разработка функциональной схемы объекта, в которой представлены сложные процессы преобразований входных физико-химических воздействий, приводящих к проявлению нескольких ФХЭ и обеспечивающих реализацию на выходе требуемого рабочего процесса.

Каждый элемент технологического объекта может быть выполнен в различных конструктивных исполнениях, обычно представленных в виде технологической схемы, в которой раскрывается принцип реализации рабочего процесса. Функциональные и технологические схемы обобщают различные варианты геометрической формы и конструктивные реализации технологического объекта с учётом его практического применения.

Таблица 1.

Варианты структурных схем технологических объектов.

№ пор	Вид структуры	Структурная схема
1	Последовательная	В...............................г А      ___ iC
	Параллельная	В---- —г 1 - С1 А ^ " I 1 | - °2 ---- ^ п | -« Сп
3	Последовательнопараллельная	___, _____>----1 г     _____>      'Ci ■   11       Ь        -       ^ т—• ------------                  1                       | | J                       | --* __ । ------- 1                 _______ IC гп №1     е гщ 1 е —       т. 4—•
4	Разветвляющаяся	А                ь —с 2 ---5 1 ■—• 2 ■—3 )"^ШГ а 4 -             С1-1..----
5	Объединяющаяся	'г—          1 д г —— SssZ \ С=° * Ь а   У з -- tEj ь
6	Циклическая	А В ---------/— н ,--- --- / X а --- | С —й 1    2 —3     7 |4г* Th 4 * 5 *"    »

Такие схемы должны сопровождать следующие проектные данные:

• -    структура и параметры технологического объекта (материал, форма, размеры, конструктивные особенности и т.д.);

• -    характеристика вида воздействия (физическое поле, химическая реакция) и его разновидности (электрическое, окисления и т.д.);

• -    наименование результата воздействия (плавление, разрушение, диффузия и т.д.) и его характеристика;

• -    наименование и описание сущности рабочего процесса на основе наиболее известных научных концепций используемых ФХЭ;

• -    модели ФХЭ (математические или эмпирические зависимости, химические формулы, графические изображения физико-химических закономерностей процесса);

• -    условия проявления ФХЭ, внешние факторы, способствующие или препятствующие его проявлению;

• -    области использования ФХЭ и дополнительная информация по его практическому применению.

Системный анализ рабочих процессов с использованием различных физико-химических эффектов даёт возможность классифицировать методы обработки материалов, применяя следующие основные признаки:

• -    виды материалов и других предметов производства;

• -    вид энергетического воздействия на предмет производства;

• -    характер и условия проявления энергетического воздействия;

• -    результат воздействия на предмет производства, т.е. достигаемый физико-химический эффект.

По виду обрабатываемых материалов различают технологии металлов и их сплавов, природных камней, строительных материалов, композитов, сверхтвёрдых материалов, драгоценных металлов и камней и т.д. Предметами производства кроме обрабатываемых материалов могут быть различные химические вещества, минеральное сырьё, полуфабрикаты, заготовки, детали, комплекты деталей и сложные изделия. По виду энергетического воздействия на предмет производства, элементы технологического средства или окружающую среду различаются следующие    рабочие    процессы:    механические,    тепловые, термодинамические, химические, электромагнитные,    волновые, электронно-ионные, фотонные и ядерные.

Традиционные методы обработки характеризуются одним видом подводимой энергии, одним способом её подвода и воздействия на предмет производства. Любой из традиционных методов обработки используется в определенном диапазоне показателей, обусловленном свойствами материала заготовки и инструмента. Условия являются критическими, если дальнейшее повышение уровня показателей свойств обрабатываемого материала делает использование данного метода невозможным по технических причинам или становится экономически нерентабельным. Например, условия обработки инструментом из быстрорежущей стали становятся критическими, когда твёрдость обрабатываемого материала превышает 50 HRCэ. В подобных ситуациях выходом из положения часто является комбинирование методов обработки.

Комбинированные методы обработки могут быть осуществлены посредством подвода в рабочую зону двух и более видов энергии: механической (М), электрической (Э), лучевой (Л), химической (X), термической (Т), магнитного поля (Мг), акустического поля (Ак). Комбинированные методы обработки классифицируют, используя следующие признаки: количество совмещаемых видов энергии; способ подвода энергии в рабочую зону; очерёдность совмещения видов энергии; характер распределения энергетических потоков; характер воздействия на предмет производства; количественные соотношения результатов энергетических воздействии (рис.2).

По первым двум признакам комбинированные методы делятся на классы: с одним видом энергии, но с разными способами её подвода (например, ММ – резание с наложением низкочастотных вибраций для дробления стружки); с двумя видами энергии, совместно подводимыми в зону обработки; с двумя видами энергии и двумя способами её подвода в зону обработки; с тремя и более совмещаемыми видами энергии. Методы механохимической обработки (MX) предусматривают одновременно протекание химических процессов и механического воздействия на материал детали (например, притирка и полирование с применением поверхностно-активных веществ). Механотермическая (МТ) и термомеханическая (ТМ) обработки основаны на одновременном или последовательном воздействии на материал заготовки нагрева (охлаждения) и пластического деформирования. Электромеханическая обработка (ЭМ) сопровождается одновременным воздействием на материал детали электрической и механической энергии. Методы электрохимической (ЭХ) обработки предусматривают одновременное воздействие на обрабатываемый материал электрической энергии и энергии химических реакций (например, электрохимическое полирование). При механомагнитной (ММг) и механоакустической (МАк) обработке используется соответственно энергия магнитного поля и звуковых волн для изменения состояния структуры обрабатываемого материала и его деформирования или разрушения в этом состоянии (например, магнитноабразивное полирование).

При механической и электрохимической обработке (МЭХ) осуществляется одновременное воздействие механической, электрической и химической энергии (например, анодно-механическая обработка металлов). Методы механической и химикотермической обработки (МХТ) предусматривают одновременное или последовательное воздействие на обрабатываемый материал нагрева в присутствии обмазки из специального состава с целью насыщения поверхностного слоя детали соответствующими химическими элементами на заданную глубину.

Рис.2. Классификация комбинированных методов обработки материалов.

По третьему признаку различают подклассы комбинированных методов обработки с последовательными или параллельными схемами совмещения нескольких видов энергии. К первым относится, например, механическая обработка с подводом в зону резания электрического тока, а ко вторым – резание с предварительным подогревом слоя материала индуктором токов высокой частоты, размещаемым на суппорте станка, впереди резца.

Четвёртый признак делит комбинированные методы обработки на группы, дифференцирующие характер подвода энергии в зону обработки в пространстве и во времени. Различают методы, воздействующие на весь объем материала заготовки, методы обработки поверхностей, методы точечного (локального) воздействия с непрерывным и дискретным подводом энергии.

Подгруппы комбинированных методов обработки формируются в зависимости от соотношения используемых основных и дополнительных ФХЭ. Первая подгруппа – методы с преимущественным влиянием одного воздействия (например, механического или химического и т. д.). Дополнительное воздействие, например, тепловое, снижая механические характеристики материала, повышает эффективность механического воздействия, качественно не изменяя природы процесса механической обработки. Вторая подгруппа содержит методы, у которых нельзя разделить физико-химические воздействия на основные и дополнительные. В этом случае процесс обработки может быть описан специфическими закономерностями.

По характеру воздействия на предмет производства различают следующие виды обработки: с частичным удалением материла; с частичным перераспределением материала за счёт его пластического деформирования; с нанесением покрытий или послойным наращиванием материала; с комбинированием физико-химических эффектов воздействия. Для уточнения классификаций методов обработки материалов в зависимости от используемых видов формообразования предметов производства и способам их реализации используют отраслевые классификаторы технологических процессов. В частности, ГОСТ 17359-82 устанавливает применяемые в науке, технике и производстве термины и определения понятий в области порошковой металлургии (получение, прессование и спекание порошковых материалов); ГОСТ 3.1109-82* – термины и определения основных понятий в области технологических процессов изготовления и ремонта изделий машиностроения и приборостроения; ГОСТ Р 55096-2012 определяет наилучшие из доступных технологий обработки отходов в целях получения вторичных ресурсов и т.д.

Многие виды материалов классифицированы относительно физикохимических эффектов, с которыми связаны их основные свойства, например, пластичные, хрупкие, токопроводящие, растворимые и т.д. Использование характерных ФХЭ в технологиях обработки таких материалов становится наиболее эффективным. Однако далеко не все варианты возможных ФХЭ в технологиях обработки известных типов материалов нашли практическое применение. Это, как правило, только те, которые позволяют получить наибольший эффект и удовлетворяют технологическим, эксплуатационным и экономическим требованиям. В связи с этим разработка новых ещё более эффективных технологических способов обработки конкретных материалов, а также создание новых типов материалов с заданными свойствами их обрабатываемости относятся к приоритетным научными и технологическими задачами. Примерами могут стать разработки новых высокоэффективных инструментальных материалов и передовых технологий их физикохимической обработки [3].

Чем проще по своей структуре объект, тем меньшее число результатов воздействия на нём проявляется. Изменяя количество и состав структурных элементов, при заданном воздействии можно получать необходимые результаты – ФХЭ. Поскольку от одного воздействия могут проявляться ФХЭ на разных иерархических уровнях структуры объекта, то возникают внутренние дополнительные воздействия, с которыми также связаны результаты воздействия. Внутреннее воздействие и его результаты широко используются в технологии.

Итак, в различных обрабатывающих технологиях требуемые физикохимические эффекты можно достичь, управляя следующими факторами: количественным изменением основного воздействия; введением нескольких основных воздействий; введением дополнительных воздействий; изменением структуры технологического объекта; изменением параметров объекта.

Систематизация рабочих процессов и единая структура их описания с использованием математических моделей, связывающих воздействия на объект и получаемые при этом физико-химические эффекты, позволяют решать многие научные, технологические и технические задачи. К таким задачам можно, в частности, отнести: информационный поиск новых фундаментальных и прикладных научных достижений в области технологий обработки конкретных материалов; анализ физико-химических эффектов при различных воздействиях на исследуемые обычно труднообрабатываемые материалы; структурный синтез вариантов схем физико-химических процессов, пригодных для реализации заданных технологий.

Задачи информационного поиска могут быть сформулированы в следующих основных направлениях: нахождение всех физико-химических эффектов, проявляющихся на исследуемых материалах при заданных воздействиях; выбор внешних воздействий на технологические объекты

(вещества, материалы), которые обеспечивают в них заданные физикохимические эффекты; исследование различных воздействий, необходимых для проявления требуемых свойств у заданного материала.

Задачи анализа физико-химических эффектов можно разделить на несколько типов: исследование технологической схемы для рабочего процесса, обеспечивающего требуемое преобразование заданного объекта (вещества, материала); исследование взаимного влияния физикохимических эффектов в вариантах технологической схемы рабочего процесса при заданных воздействиях; определение внешних воздействий, которые могут вызвать недопустимые изменения рабочего процесса в исследуемой технологической схеме.

К задачам синтеза технологической схемы заданного процесса могут быть отнесены: разработка вариантов технологических схем, обеспечивающих реализацию требуемого физико-химического эффекта при заданных внешних воздействиях; выявление перспективных направлений развития технологического оборудования для исследуемого процесса при заданных результатах воздействий.

Решение таких задач позволяет соединить процесс подготовки специалистов-технологов с учебной и реальной научно-исследовательской работой в области наиболее важных, критических технологий получения и обработки материалов.

Выводы.

• 1.    Научный метод моделирования рабочих процессов на базе системного описания энергетических воздействий на технологические объекты и достигаемых при этом физико-химических эффектов позволяет не только анализировать традиционные процессы обработки материалов, но и синтезировать принципиально новые технологии с требуемыми технико-экономическими характеристиками.

• 2.    Объектно-процессный принцип описания технологий обработки материалов соответствует современному уровню развития информационных технологий, используемых при автоматизированном проектировании сложных технических и технологических систем.

• 3.    Применение метода дедукции при системном принципе изучения предметной области позволяет более рационально использовать временные ресурсы учебного процесса освоения технологических дисциплин и усилить научную направленность самостоятельной работы студентов.