Классификация методов научных исследований

Например, исследование влияния подачи мм/зуб, глубины резания t, мм, скорости резания V, м/мин, радиуса при вершине резца r, мм, переднего угла ?, град, при торцовом фрезеровании на шероховатость обработанной поверхности (пять факторов влияния):

В приведенной ниже зависимости учтены семь факторов влияния: скорости продольной подачи ? пр мм/мин ; глубины резания

?,мм; зернистости круга ?; жесткости шлифовального станка ? ст ; Н/мм; окружной скорости заготовки ? З , м/мин; радиальной подачи рад , мм/дв.ход; числа ходов выхаживания ? на шероховатость шлифованной поверхности по параметру ??, мкм:

Вещественный эксперимент – эксперимент, предпринимаемый для изучения влияния различных вещественных факторов на состояние объекта исследования. Например, исследование влияния различных добавок на физико-механические свойства стали; исследование влияния добавок на состояние СОЖ (долговечность, смазывающие и охлаждающие свойства); исследование влияния добавок на состояние электролита при реализации размерной электрохимической обработки (токопроводимость, уменьшение защелачиваемости, улучшение адсорбционных свойств, увеличение степени коагуляции, улучшение свойств коррозионной защиты); исследование влияния состава изно-состойкого покрытия на работоспособность режущего инструмента.

Обычный эксперимент – классический эксперимент с тремя со ставляющими (экспериментатор, объект исследования, средства эксперимента – инструменты, приборы, экспериментальная установка).

Модельный эксперимент – эксперимент, проводимый не с реальным объектом, а с его моделью (материальной или виртуальной компьютерной копией объекта). Проведение модельного эксперимента актуально, например, в области автомобиле-, судо- и самолетостроения. Например, «КРАШ-ТЕСТ» автомобиля (вместо реального человека-водителя в автомобиле находится его манекен, исследуется влияние последствий аварийной ситуации на состояние водителя и автомобиля по данным специальных регистрирующих и диагностирующих приборов); в судо- и самолетостроении для оценки прочности конструкции, аэродинамических свойств, устойчивости и другого прибегают к использованию моделей судна и самолета (уменьшенные копии реальных объектов), а исследования проводят на специальных испытательных стендах, моделирующих реальные внештатные ситуации.

Однофакторный эксперимент – эксперимент, в рамках которого осуществляется поочередное варьирование интересующими исследователя факторами. Например, алгоритм реализации однофакторного эксперимента при решении многомерной оптимизационной задачи совпадает с алгоритмом метода покоординатного спуска.

Многофакторный эксперимент – эксперимент, при котором в процессе исследования варьируют всеми факторами одновременно и каждый эффект оценивается по результатам всех опытов, проведенных в данной серии экспериментов. Например, алгоритм реализации многофакторного эксперимента при решении многомерной оптимизационной задачи совпадает с алгоритмом метода перебора варьируемых параметров.

Технологический эксперимент – эксперимент, направленный на изучение элементов технологического процесса. Например, может идти речь об исследовании устойчивости технологического процесса или отдельной технологической операции по критерию – устойчивость.

Методика проведения эксперимента

Методика эксперимента – совокупность нескольких действий, выполняемых в определенной последовательности, для достижения поставленной цели.

Ключевым в реализации методики эксперимента является план (программа) эксперимента. Независимо от тематики научного исследования план эксперимента должен включать в себя:

- цель и задачи исследования;

- выбор варьируемых факторов;

- обоснование числа параллельных опытов;

- порядок реализации опытов и последовательность изменения факторов;

- выбор шага изменения факторов;

- обоснование выбора средств диагностики и измерения;

- порядок действий при выполнении эксперимента;

- обоснование способов обработки и анализа результатов экспериментов.

С учетом предварительной теоретической подготовки, в рамках выполняемых теоретических исследований возможны три случая реализации экспериментальных исследований:

1) существует аналитическая  зависимость, которая однозначно определяет исследуемый процесс: ? = (Х1, Х2, Х3). Объем эксперимента для подтверждения адекватности этой зависимости будет минимальным, поскольку зависимость однозначно определяется экспериментальными данными – известно, какими параметрами нужно варьировать. Например, если в аналитической зависимости три параметра, то тремя параметрами и нужно варьировать при проведении экспериментального исследования;

2) отсутствует единая  аналитическая зависимость, описывающая исследуемый процесс, но существует семейство аналитических зависимостей. В этом случае объем эксперимента существенно возрастает, так как необходимо определиться со многими неизвестными параметрами;

3) отсутствует аналитическая зависимость, которая описывала бы исследуемый процесс в целом. При этом объем эксперимента становится гигантским, так как необходимо перебрать все возможные факторы и реализовать поиск тех, которые будут значимыми, адекватно описывающими взаимосвязи факторов.

 

Введение в обработку результатов эксперимента

Все результаты экспериментальных исследований должны быть представлены в удобочитаемых формах, в виде формул, таблиц, графиков, диаграмм, номограмм, гистограмм и др. Кроме того, результаты экспериментальных исследований должны отвечать трем статистическим требованиям:

- эффективность оценок (минимальность дисперсии относительно неизвестного параметра);

- состоятельность оценок (число параллельных наблюдений (опытов) должно стремиться к необходимому минимальному значению);

- несмещенность оценок (систематические ошибки должны отсутствовать при вычислении параметров).

При обработке данных, полученных экспериментальным путем,

выделяют два этапа:

1) реализация наглядности  представления полученных данных;

2) обработка экспериментальных данных, их обобщение и представление в виде аналитических зависимостей.

Рассмотрим примеры проведения экспериментальных исследований в области размерной обработки изделий с применением различных методик обработки результатов эксперимента.

 

5. Методы и приборы оценки твёрдости и микротвёрдости

Твёрдостью называют сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твёрдого тела.

При динамическом определении твёрдости на испытуемый образец или изделие воздействует падающий свободно или принудительно индентор (закалённый стальной шарик, алмазная пирамида или конус).

Существует два способа динамического определения твёрдости:

 с помощью падающего тела: 1) подсчёт твёрдости по размерам отпечатка (методы, использующие падение груза или удар (с помощью молотка Польди или Бринелля)); 2) измерение высоты отдачи индентора (прибор Шора). Прибор Шора предназначен в основном для определения твёрдости материала массивных деталей, а также мелких деталей из металлов и других материалов

Для предварительной оценки твёрдости поверхностных слоёв заготовок деталей машин, а также после их термической обработки применяется метод царапания испытуемой поверхности набором эталонных образцов различной твёрдости или жёстким (алмазным) наконечником в виде конуса, пирамиды, полусферы, иглы, лезвия и т.п.

Измерение твёрдости по Бринеллю рекомендуется для чёрных и цветных металлов с твёрдостью 8 – 450 единиц [8]. Твёрдость по Бринеллю (число твёрдости) (НВ) выражается отношением нагрузки к площади поверхности сферического отпечатка, имеющего форму шарового сегмента диаметром d. Выбор нагрузки должен быть таким, чтобы

0,2D < d < 0,6D.

Измерение твёрдости по Виккерсу рекомендуется для чёрных и цветных металлов и сплавов (в том числе в тонких поверхностных слоях и покрытиях), имеющих сложную форму.

 Твёрдость по Виккерсу (НV) определяется вдавливанием в образец четырёхгранной алмазной

пирамиды с углом между противоположными гранями, равным 136°, и выражается числом твёрдости, полученным делением нагрузки на площадь поверхности пирамидального отпечатка (вычисляется по длине диагоналей отпечатка). Для упрощения определения числа твёрдости по Виккерсу пользуются таблицами, приведёнными в ГОСТ 2999–75.

Измерение твёрдости металлов по методу Виккерса производится с помощью приборов ТПП-2 и ТП-7Р-1, а по методу Бринелля – ТПШ-4 и ТШ-2М.

Определение твёрдости по Роквеллу распространяется на чёрные и цветные металлы и сплавы. Метод отличается от рассмотренных выше тремя особенностями: совмещением операций вдавливания наконечника и измерения размеров отпечатка; применением в качестве наконечника наряду с шариком алмазного конуса; число твёрдости по Роквеллу выражается в условных единицах, соответствующих разности глубин проникновения наконечника под действием основной и предва-

рительной нагрузок. За единицу твёрдости по Роквеллу принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм.

Метод Роквелла получил широкое применение, так как он позволяет определять твёрдость быстро и просто, практически без повреждения испытываемого изделия (образца).

Для измерения твёрдости по Роквеллу применяются универсальные приборы типа ТК (ТК-2, ТК-14-250), полуавтоматические приборы ТКД, ТКМ, приборы для определения поверхностной твёрдости ТКС-1М, ТКС-2, ТКС-14-250, переносные приборы ТКП-1, ТКП-2.

Имеются также универсальные приборы, позволяющие определять твёрдость металлов как по методу Роквелла, так и по методу Бринелля: типа ТК-2М, НР250. Универсальные приборы фирмы «Донау» (Швейцария) обеспечивают возможность измерения твёрдости по методам Бринелля, Виккерса (разными инденторами) и Роквелла (по разным шкалам).

Измерение микротвёрдости вдавливанием алмазной пирамиды применяют для тонких поверхностных слоёв, а также отдельных структурных составляющих и фаз сплавов. Для этого применяют приборы ПМТ-3 и ПМТ-5.

Модернизированный прибор ПМТ-6 позволяет проводить определение твёрдости методами царапания и вдавливания в широком диапазоне нагрузок: от 0,03 до 2 Н.

 

4. СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА РЕЖУЩИХ

ИНСТРУМЕНТОВ И ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Около 85…90 % изделий машиностроения выходят из строя в результате изнашивания и только 10…15 % по другим причинам.

Различают изнашивание механическое (абразивное, эрозионное, гидроабразивное, газоабразивное, усталостное и др.), коррозионно-механическое (окислительное, фреттинг-коррозия), изнашивание при «заедании» сопряжённых пар.

Применительно к инструментам различают следующие виды изнашивания: абразивное, адгезионное (схватывание и последующее вырывание частиц и блоков), диффузионное (при t = 800…850 °С) – деформационное растворение инструмента материала в обрабатываемом материале, окислительное (твёрдых сплавов) – образуются окислы Со 3 О 4 и СоО, которые имеют низкую твёрдость и нарушают монолитность твёрдого сплава [8].

Измерение износа по потере массы или объёма детали используется, как правило, при исследовании образцов и непригодно для большинства деталей машин.

Оценка износа по изменению выходных параметров сопряжения даёт лишь косвенное представление об износе вследствие того, что выходные параметры сопряжения зависят от большого числа факторов, которые не представляется возможным оценить полностью.

Известен способ определения износа по содержанию продуктов изнашивания в смазочном масле. Способ основан на взятии пробы отработавшего масла, где накопились продукты изнашивания, представляющие собой металлические частицы, окислы металлов и продукты химического взаимодействия металлов с активными компонентами смазочных материалов. Этот способ позволяет избежать необходимости разборки машин и их узлов. Он применяется в лабораторных и эксплуатационных условиях для измерения интегрального износа узлов различных машин, например технологического оборудования, транспортных машин, двигателей внутреннего сгорания, зубчатых передач и т.п. Точность метода определяется чувствительностью приборов к содержанию в масле металлических примесей (10 –6 …10 –8 г в 1 см 3 масла) [8].

Анализ проб масла производится следующими методами:

– химическим (определяется содержание железа и других продуктов изнашивания в золе сожжённой масляной пробы);

– спектральным (определяют содержание металлических примесей в масле посредством спектрального анализа состава пламени при

сжигании его пробы);

– радиометрическим (измерение радиоактивности продуктов изнашивания, содержащихся в смазочном масле, накапливающихся в масляном фильтре). Радиоактивность материала деталей создаётся введением радиоактивных изотопов в металл при плавке или с помощью покрытия деталей слоем из радиоактивных веществ;