Классификация методов научных исследований

1. Классификация методов научных исследований

Метод – путь исследования, способ достижения цели, способ решения задачи.

В области машиностроения (конструкторско-технологического обеспечения машиностроительных производств) находят применение

следующие методы:

1) наблюдение;

2) счет;

3) измерение;

4) сравнение;

5) эксперимент;

6) обобщение;

7) анализ;

8) аналогия;

9) моделирование.

Наблюдение – познание процесса взаимодействия объектов материального мира через различные органы чувств, без вмешательства со стороны исследователя в этот процесс.

Приведем несколько примеров:

1) можно визуально оценить  устойчивость протекания процесса электроэрозионной размерной обработки проволочным электродом инструментом, опираясь на колебания показаний вольтметра контроля напряжения в межэлектродном промежутке системы обратной связи электроэрозионного вырезного станка с ЧПУ. Если стрелка прибора находится в пределах одного и того же значения с максимальным тклонением не более ±0,5 В, то процесс электроэрозионного резания устойчив. В противном случае требуется корректировка показателей электрического режима обработки;

2) по наличию следов  дробления на обработанной шлифованием поверхности заготовки можно судить о затуплении шлифовального круга или о его дисбалансе;

3) наличие прижогов на обработанной шлифованием поверхности заготовки может свидетельствовать о правильности выбора характе- ристики круга и назначения режима обработки, а также о затуплении инструмента;

4) визуально можно оценить режущую способность лезвийного инструмента (например, токарного резца, сверла) по характерному звуку, приближающемуся к «свисту» в процессе обработки;

5) по запаху можно оценить  состояние смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ).

Счет – нахождение результата, определяющего количественное соотношение параметров, характеризующих свойства объекта или процесса. Например, можно выполнить вычисления основного технологического времени токарной обработки заготовки при различных показателях режима, а затем соотнести их друг с другом

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Например:

измерить линейный размер заготовки с помощью штангенинструмента (штангенциркуля), микрометрического инструмента (микрометра), вертикального или горизонтального оптиметра, длиномера, индика-торного нутромера; измерить угловой размер заготовки с помощью угломера, часового проектора, оптической делительной головки; оценить отклонения формы и расположения поверхностей заготовки с помощью индикаторной или рычажной скобы, кругломера, индикатора часового типа или многооборотного; измерить шероховатость обработанной поверхности заготовки с помощью двойного микроскопа, профилографа-профилометра; оценить точность изготовления цилиндрического зубчатого колеса с помощью межосемера, накладного шагомера, эвольвентомера, шумомера и др.; измерить твердость поверхностного слоя материала заготовки с помощью твердомера; измерить величину износа режущей кромки инструмента с помощью оптического микроскопа.

Сравнение – установление различия между объектами материального мира как при помощи органов чувств, так и при помощи технических средств измерения. Например, можно визуально установить наличие на поверхностях заготовок дефектов (следов дробления, прижогов, царапин); сравнить качество обработанных поверхностей заготовок по параметру  используя профилометр.

Эксперимент (проба, опыт) – процесс, в рамках которого реализуется взаимодействие между элементами технологической системы при изменяющихся условиях. Измерение условий взаимодействия осуществляется исследователем. Например, результатами натурного однофакторного эксперимента необходимо установить закономерность влияния скорости подачи, мм/мин, на качество обработанной поверхности заготовки по среднему арифметическому отклонению профиля, мкм, при токарной обработке проходным резцом. Для этого исследователь, опираясь на предварительно разработанную методику проведения однофакторного эксперимента, осуществляет на токарном станке обработку заготовок при изменяемых им различных значениях скорости подачи в сторону ее увеличениях. Затем измеряет шероховатость обработанной поверхности по параметру заготовок, анализирует полученные результаты измерений, осуществляет обработку экспериментальных данных и в итоге строит график зависимости ?? от ?, опираясь на который формулирует умозаключение о закономерности изменения ?? в зависимости от ?.

Обобщение – получение общего понятия, в котором находит отражение главное, основное, характеризующее объекты данного класса. Рассмотрим несколько примеров обобщения результатов исследования:

1) результатами натурного  эксперимента доказано, что, независимо от материала обрабатываемой заготовки, качество поверхности на уровне микрогеометрии поверхностного слоя по параметру Ra,

мкм, при токарной обработке проходным резцом будет ухудшаться с увеличением скорости подачи S, мм/мин;

2) разработаны технологические рекомендации и технология нанесения покрытия на оснастку из титановых сплавов применительно к деталям различного назначения, что позволило сократить время нанесения защитного покрытия, снизить количество замен деталей, работающих под током в среде электролита;

3) разработанная система  управления параметрами качества нарезаемых зубчатых колес при зубодолблении на основе многомерного отображения процесса обработки позволяет рассчитать оптимальные режимы резания как для обычных материалов, так и для деталей, изготовленных из материалов с особыми физико-механическими свойствами.

Анализ – метод познания через расчленение или разложение предметов исследования (объектов, свойств) на составные части, является основой аналитического (теоретического) исследования. На-пример, в результате выполненного анализа значимых входных параметров установлено, что на формирование погрешности торцового эвольвентного профиля зуба зубчатого колеса при электроэрозионном зубовырезании на станках с ЧПУ будут влиять: погрешность аппроксимации ∆ работы интерполятора системы ЧПУ станка,

амплитуда  поперечных  колебаний  проволочного  электрода-инструмента под действием электростатических сил в зоне обработки; наибольшее значение высоты неровностей профиля зависящее от показателей электрического режима обработки генератора импульсов станка.

Аналогия – метод, посредством которого достигается знание о предметах, объектах, явлениях на основании того, что они имеют сходство с другими предметами и явлениями. Например, методом аналогии при конструкторском проектировании можно назначить посадки в соединениях конструкции проектируемого станочного приспособления, опираясь на знание рекомендуемых посадок для станочных приспособлений аналогичного назначения, апробированных ранее проведенными испытаниями.

Моделирование – исследование объектов, явлений, процессов путем построения и изучения их моделей (например, математических). Как правило, математическое моделирование реализуется с помощью прикладного программного обеспечения: оригинального, разработанного самим исследователем, или стандартного, рекомендуемого для широкого спектра моделирования различных статических и динамических процессов.

Например, средствами программно-вычислительного комплекса ANSYS можно реализовать моделирование теплосилового взаимодействия заготовки и инструмента при глубоком сверлении отверстий с применением СОЖ и наложением ультразвука, а опираясь на оригинальное программное обеспечение «Пластина.EXE», реализовать моделирование процесса влияния элементов режима шлифования на глубину проникновения теплового потока в поверхностный слой заготовки.

Известны преимущества моделирования с помощью ЭВМ (модельный эксперимент (МЭ) перед натурным экспериментом(НЭ)):

1) затраты времени (Т МЭ < Т НЭ );

2) стоимостные затраты (Ц МЭ < Ц НЭ );

3) возможность создания  условий, которые нельзя создать в действительности;

4) прогнозирование критических  ситуаций.

2. Перечень и краткая характеристика методов решения творческих задач

Из широко используемых общенаучных методов теоретических исследований остановимся на двух методах:

расчленения и объединения.

Суть метода расчленения заключается в том, что система взаимосвязи объектов (параметров) расчленяется на простейшие составные части и выделяются значимые и незначимые параметры, а также связи между ними. Изучается вид взаимосвязи элементов и осуществляется моделирование. С учетом значимости параметров модель претерпевает упрощения и вводятся некоторые допущения.

Суть метода объединения заключается в том, что реализуется комплексный подход к изучению объекта. Осуществляется переход от дифференциации к интеграции. Система не дробится, а рассматривается как единое целое. Находят решение, удовлетворяющее условиям решения этой системы.

Часто в области машиностроения прибегают к реализации метода расчленения.

Из распространенных методов творческого мышления при теоретических исследованиях можно назвать:

- «мозговой штурм»;

- экспертный метод;

- метод «маленьких человечков»;

- теория решений изобретательских задач;

- морфологический анализ.

При «мозговом штурме» группа специалистов (до 10 человек) из различных областей знаний в течение 40 – 50 минут генерирует идеи для решения поставленной задачи теоретического исследования. Идеи фиксируются, анализируются учеными, которые будут решать поставленную задачу.

При экспертном методе используют знания и опыт экспертов в исследуемой области.

При методе «маленьких человечков» процессы, происходящие в системе, представляют для наглядности в виде рисунков (схем), что облегчает получение единой картины взаимодействий.

При использовании теории решений изобретательских задач реализуется алгоритм со следующими этапами: анализ исходной ситуации; анализ задачи; анализ модели задачи; разрешение противоречий; анализ возможности устранения противоречий; развитие полученного решения; анализ хода решения.

При морфологическом анализе из массива возможных решений выбирается лучшее, соответствующее требованиям технического задания. Решается оптимизационная задача.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Классификация, цель и  задачи эксперимента

Эксперимент в исследовательской деятельности – опыт, наблюдение, проверка предсказания.

Основная цель эксперимента – выявление свойств исследуемых объектов, процессов, явлений, проверка правильности выдвинутых гипотез, проверка адекватности теории реальным условиям протекания процесса взаимодействия элементов технической системы.

Для проведения эксперимента необходимо реализовать следующие этапы:

1) разработка гипотезы, подлежащей  проверке;

2) разработка программы (плана) эксперимента;

3) определение способов  и приемов вмешательства в объект исследования;

4) создание условий для  эксперимента;

5) разработка приемов  фиксирования хода и результатов эксперимента;

6) подготовка  средств  измерения  и  экспериментальной установки;

7) обеспечение эксперимента  персоналом.

Используют следующие виды экспериментов: естественный; искусственный; преобразующий; констатирующий; контролирующий; поисковый; решающий; лабораторный; натурный; полевой; производственный; простой; сложный; вещественный; энергетический; информационный; обычный; модельный; материальный; мысленный; пассивный; активный; однофакторный; многофакторный; технологический;  социометрический  (исследование  социально-психологических отношений).

Из перечисленных разновидностей экспериментов в области машиностроения находят частое применение поисковые, лабораторные, натурные, простые, сложные, вещественные, обычные, модельные, однофакторные, многофакторные, технологические эксперименты.

Поисковый эксперимент проводят в тех случаях, когда затруднена классификация факторов, влияющая на выходной параметр. В результате эксперимента выявляют значимые и незначимые факторы влияния. По сути дела, поисковый эксперимент – это пробный эксперимент (теории как таковой нет, но есть предположения, гипотеза).

Лабораторный эксперимент – эксперимент, проводимый в лабораторных условиях с привлечением специальных моделирующих установок, стендов, оборудования. При этом изучают, как правило, не сам объект, а его образец. Оценивают влияние одних характеристик при варьировании других при минимальных затратах времени и ресурсов. Как правило, результаты лабораторного эксперимента необходимо уточнить натурным экспериментом с учетом специфики реального производства.

Натурный эксперимент – эксперимент, который проводится в производственных условиях на действующем технологическом оборудовании. Он может дать более объективную оценку состояния дел (протекания процесса).

Простой эксперимент – изучение процесса с предельно небольшим количеством взаимодействующих факторов (максимум три), т. е. Например, исследование влияния окружной скорости V , м/мин, шестерни на ее износ в зубчатой передачи при твердости зубьев шестерни больше 350 НВ через специальный коэффициент (один фактор влияния); исследование влияния тангенциальной, H, и радиальной, H, сил резания на величину силы P, H, изгибающей оправку с торцовой фрезой: Р= ?? ?

(два фактора влияния); исследование влияния диаметра сверла d, мм, скорости резания V, м/мин, и подачи S, мм/об, на качество обработанной поверхности отверстия по параметру Ra, мкм: ?? = 6,36 · (три фактора влияния).

Сложный эксперимент – изучение процесса с большим количеством взаимодействующих факторов, т. е. ? = ?(Х1, Х2, Х3,…,Х?).

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;