Успех машиностроения и других смежных отраслей промышленности во многом определяется использованием в них новых или коренным образом усовершенствованных технологических процессов металлообработки, обеспечивающих получение готовых изделий и полуфабрикатов повышенного качества и направленных на снижение трудо-, энергои материалоемкости производственных процессов.
Одним их таких способов металлообработки является процесс прессования, позволяющий, благодаря выгодной схеме напряженного состояния, получать изделия сложной конфигурации, удовлетворяющие требованиям высокой точности и чистоты поверхности. Наиболее широкое применение процесс прессования нашел при получении изделий из цветных металлов и сплавов особенно алюминиевых сплавов. Почти во всех странах выпуск прессованной продукции из легких сплавов занимает второе место после выпуска плоского проката.
Наиболее актуальной задачей развития прессового производства является создание автоматизированных комплексов и линий с законченным технологическим циклом, позволяющих реализовать рациональные температурно-скоростные режимы как пластической, так и последующей термомеханической обработки прессуемых изделий в едином технологическом потоке с одного нагрева.
Полнота автоматизации всего технологического процесса отражается в следующей цепочке уровней автоматизации: автоматизированный пресс (прессовая установка) —> автоматизированный прессовый комплекс —"• автоматизированная линия -> автоматизированное производство.
Основным направлением совершенствования прессового производства является переход от отдельных прессовых установок к автоматизированным прессовым комплексам и линиям.
Отмеченное выше совмещение операций прессования и термомеханической обработки (в частности закалки и правки) на одном агрегате в едином технологическом потоке возможно только в условиях изотермического прессования, когда обеспечивается постоянство температуры по всей длине прессуемого изделия, выходящего из очка матрицы, при этом закалки и правка изделия осуществляется в закалочном и правильном устройствах, устанавливаемых в непосредственной близости от выхода гидравлического пресса. Условия изотермического прессования проще всего достигаются за счет регулирования скорости движения прессштемпеля в процессе прессования.
Методически разработка автоматизированных систем управления технологическими процессами требует системного подхода, который, как известно, предполагает определение основных выходных и входных параметров процесса, выделение управляющих воздействий, разработку датчиков основных технологических параметров, создание комплексной математической модели процесса, связывающей выходные и входные параметры, и построение моделей исполнительных органов объекта управления. Завершающим этапом разработки является построение алгоритмов управления и их проверка на имитационных моделях.
Теория управления предлагает два принципиально различных подхода к оперативному определению скорости движения прессштемпеля (для достижения условий изотермического прессования): программный и с обратной связью по температуре на выходе из очка матрицы.
Первый из них состоит в том, что закон изменения скорости по ходу прессштемпеля задается до начала процесса, исходя из расчетных данных или опыта прессования аналогичных изделий. При втором способе управления скорость определяется с учетом результатов измерения температуры выходящего из матрицы изделия. Если при этом осуществляется оценивание параметров модели процесса, связывающих управляющие и выходные параметры процесса, то такое управление является адаптивным.
Процесс прессования является достаточно сложным технологическим объектом управления (ТОУ). Значения таких выходных величин, как температуры нагрева заготовок и их механических свойств, носят случайный характер. Причем наблюдаемыми могут являться только первые из них. Связь между входными и выходными параметрами процесса нестационарна и в общем случае априори неизвестна. Наиболее сложные из существующих в настоящее время моделей процесса ограничиваются описанием прессования осесимметричных профилей. При этом искомая связь задается алгоритмически, а объем требуемых вычислительных ресурсов исключает их использование для управления процессом в реальном масштабе времени.
Отмеченные особенности ТОУ и опыт использования программного подхода говорят о том, что последний не может гарантировать достижения цели управления для каждой единицы продукции. Действительно, определение скоростных режимов как аналитическим, так и экспериментальным путем, крайне затруднено. Прессование изделий одного шифра из заготовок различных плавок, имеющих, как правило, различные химсоставы, долж, но осуществляться по различным скоростным режимам. Отсюда накопление скоростных режимов имеет весьма ограниченное значение. Если учесть также случайные колебания температуры нагрева заготовок и нестационарность температуры инструмента (особенно после переналадки или перерыва в прессовании), то становится очевидной неудовлетворительность программного управления при мелкосерийном и тем более единичном производстве. Таким образом, специфика ТОУ требует для достижения цели управления применение более сложных методов управления.
Все вышесказанное служит причиной разработки алгоритма управления скоростью с обратной связью по температуре, не требующего априорного задания скоростного режима. Ниже рассматривается адаптивный подход к управлению, отвечающий данным требованиям. При этом математичеекая модель процесса прессования позволяет (для случая осесимметричного прессования) количественно оценить влияние технологических параметров процесса на температуру изделия на выходе из очка матрицы и построить имитационную модель процесса прессования. Такой подход отвечает всем, сформулированным выше, требованиям системного подхода к разработке автоматизированных прессовых комплексов.
Известно [1]. [15], что наибольший прогресс достигнут при прессовании изделий из низколегированных легкодеформируемых алюминиевых сплавов. Для производства этих изделий созданы автоматизированные линии, отличающиеся высоким техническим уровнем. Однако практически отсутствуют сведения об автоматизированных линиях для производства изделий из высоколегированных труднодеформируемых алюминиевых сплавов. В лучшем случае для этого используют автоматизированные комплексы. Причем, чем выше мощность гидравлических прессов, входящих в комплекс, тем ниже уровень их автоматизации. А именно на этих комплексах производятся крупногабаритные длинномерные изделия, находящие широкое применение в современном машиностроении. Разработка подобных комплексов и линий нуждается в надежной научной базе и новых технологиях производства.
Таким образом, разработка научных и технологических основ создания автоматизированных комплексов и линий горячего прессования изделий из высоколегированных труднодеформируемых алюминиевых сплавов, позволяющих совместить в едином технологическом потоке пластическое деформирование изделий на горизонтальном гидравлическом прессе с последующей термомеханической обработкой изделий с одного нагрева перед прессованием является актуальной. Особую актуальность эта проблема приобретает при крупногабаритных длинномерных изделий.
Предметом диссертации является разработка концепции математического и конструкторско-технологического обеспечения проектирования новых и функционирования действующих автоматизированных линий и комплексов для производства крупногабаритных изделий из высоколегированных труднодеформируемых алюминиевых сплавов.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить аналитический сравнительный анализ существующих автоматизированных комплексов и линий горячего прессования изделий из алюминиевых сплавов.
2. Построить математическую модель процессов прямого прессования трубных и прутковых профилей. Определить место математического моделирования в комплексе проблем, связанных с управлением процессом прессования.
3. Сформулировать принципы управления процессами прессования изделий из алюминиевых сплавов.
4. Разработать теорию построения адаптивных систем управления процессами изотермического прессования.
5. Построить алгоритм управления процессом изотермического прессования.
6. Построить имитационную систему изотермического прессования.
7. Выполнить технологическое обеспечение функционирования автоматизированных комплексов и линий изотермического прессования крупногабаритных длинномерных изделий из высоколегированных труднодеформируемых алюминиевых сплавов.
8. Разработать эскизные проекты автоматизированной линии изотермического прессования, автоматизированного комплекса изотермического прессования и линии по производству крупногабаритных длинномерных изделий из высоколегированных алюминиевых сплавов.
9. Обобщить опыт проектирования и эксплуатации автоматизированных комплексов и линий изотермического прессования.
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Список использованной литературы составляет 50 наименований.
4.6. Основные результаты.
1. Сформулированы основные положения технологического обеспечения процесса изотермического прессования и термомеханической обработки изделий из высоколегированных алюминиевых сплавов. Технология изотермического прессования диктует необходимый состав оборудования линий и комплексов изотермического прессования, обеспечивающий необходимые темпера-турно-скоростные условия прессования и последующей термомеханической обработки прессизделий.
2. Описан комплекс основных технологических агрегатов и средств автоматизации линий изотермического прессования. Комплекс включает: гидравлические прессы, пирометрические установки для измерения температуры прессизделий, скальпирующее устройство для зачистки слитков перед подачей в контейнер пресса, закалочное устройство с установкой для дополнительного нагрева прессизделий перед входом в закалочное устройство, датчики геометрических размеров и состояния поверхности прессизделий.
3. Предложена схема автоматизированной линии изотермического прессования изделий из высоколегированных алюминиевых сплавов. Линия обеспечивает осуществление пластического деформирования и последующей термической обработки прессуемого изделия в едином технологическом потоке с одного нагрева заготовки перед прессованием. В результате достигается значительная экономия энергои материальных ресурсов, повышается производительность процесса и качество прессуемых изделий. На ряду с автоматизированной линией предложен автоматизированный комплекс изотермического прессования с сокращенным технологическим циклом.
4. Предложена схема автоматизированной линии для производства длинномерных изделий из высоколегированных алюминиевых сплавов. Такие линии находят широкое применение в авиационной промышленности и других отраслях машиностроения и народного хозяйства.
5. Обобщен опыт проектирования и эксплуатации автоматизированных комплексов и линий изотермического прессования. Сформулированы принципы и намечены подходы к модернизации существующего отечественного прессового производства.
Заключение
.
Системный подход к проблеме прессования изделий из высоколегированных труднодеформируемых алюминиевых сплавов обусловлен необходимостью решения целого комплекса научных и технических задач, на которых базируются модернизация существующих и разработка новых технологических процессов прессования.
1. Аналитический обзор зарубежной и отечественной литературы свидетельствует, что высокотехнические зарубежные линии и комплексы предназначены в первую очередь для производства изделий из низколегированных легкодеформируемых алюминиевых сплавов. В литературе практически отсутствуют сведения об автоматизированных линиях для производства изделий из высоколегированных труднодеформируемых алюминиевых сплавов. Для производства таких изделий в основном используются автоматизированные комплексы. Ниже всего уровень автоматизации комплексов, предназначенных для производства крупногабаритных длинномерных изделий прямым методом прессования на мощных гидравлических прессах.
На отечественных предприятиях полностью отсутствуют автоматизированные линии с законченным технологическим циклом как для низколегированных, так и для высоколегированных алюминиевых сплавов.
2. Основной целью управления процессом горячего прессования является достижение изотермических условий прессования, при которых выходящее из очка матрицы изделие имеет постоянную температуру по всей длине. Только при этих условиях оказывается возможным построение автоматизированных линий, совмещающих прессование и последующую термомеханическую обработку (закалку и правку) изделий в едином технологическом потоке.
3. В отличии от производства изделий из низколегированных сплавов производство крупногабаритных изделий из высоколегированных сплавов на комплексах с мощными гидравлическими прессами предъявляет более высокие требования к скоростным и температурным режимам как самого процесса прессования, так и последующей термомеханической обработки прессуемых изделий. В этом случае значительно сложнее обеспечить строго изотермические условия прессования, когда температура прессуемого изделия на выходе из очка матрицы должна поддерживаться в пределах ±5. .±-10°С.
4. Показана необходимость создания адаптивных систем управления скоростным режимом изотермического прессования изделий из высоколегированных алюминиевых сплавов.
5. Описана математическая модель процесса прямого прессования прутковых и трубных профилей, позволяющая исследовать скоростные и температурные режимы деформирования осесимметричных изделий из алюминиевых сплавов.
6. Результаты аналитического исследования процессов прямого прессования осесимметричных изделий из алюминиевых сплавов сводятся к следующим зависимостям. Температура поверхности изделия на выходе из очка матрицы повышается с увеличением скорости прессования и вытяжки, а также с ростом геометрических размеров слитка при постоянной вытяжке. Форма калибрующего пояска незначительно влияет на температуру прессуемого изделия, однако с увеличением угла конусности матрицы температура возрастает значительно. Перепад температуры между поверхностью прутка и осью симметрии на выходе из очка матрицы составляет 15. 20 °C, в то же время для труб эта величина не превышает 5.. Ю°С. Температура металла на выходе из очка матрицы, носит случайный характер и определяется в основном статистическими характеристиками механических свойств и температуры нагрева прессуемых слитковвеличина случайного изменения температуры составляет 10. .25° С и имеет максимальное значение на поверхности прессизделия.
Результаты аналитического исследования были положены в основу разработки математической модели управления процессом прессования.
7. Впервые разработана математическая модель и алгоритм адаптивного управления процессом изотермического прессования изделий из алюминиевых сплавов.
8. Разработан адаптивный регулятор скорости прессования аккумуляторного привода пресса, позволяющий учесть изменение пропускной способности регулирующего дросселя.
9. Построен алгоритм управления индивидуальным насосным масляным приводом пресса, состоящего из нескольких насосов переменной производительности.
10. Разработана имитационная система изотермического прессования изделий из высоколегированных алюминиевых сплавов. Система реализована на ПЭВМ и предназначена для исследования и построения скоростных режимов изотермического прессования, а также служит в качестве тренажера для обучения инженерно-технологического персонала.
11. Сформулированы основные положения технологического обеспечения процесса изотермического прессования и последующей термомеханической обработки изделий из высоколегированных труднодеформируемых алюминиевых сплавов и предложен необходимый состав оборудования и средств автоматизации линий и комплексов изотермического прессования.
12. Разработан эскизный проект автоматизированной непрерывной линии изотермического прессования изделий из высоколегированных труднодеформируемых алюминиевых сплавов, позволяющей осуществлять прессование закалку и правку изделий в едином технологическом потоке. В отличии от известных способов прессования данная линия позволяет:
• ликвидировать ряд трудоемких операций (повторный нагрев изделий под закалку, закалку изделий, ряд транспортных и подготовительных операций);
• осуществлять закалку длинномерных изделий без создания дорогостоящих крупногабаритных закалочных устройств;
• снизить трудоемкость процесса на 9. 10 чел.час. на одну тонну годной продукции;
• сократить на 350. 500 кВт час. расход электроэнергии на одну тонну изделий;
• повысить выход годной продукции за счет снижения отходов на 2. 4%, что, например, для прутково-профильного пресса усилием 50 МН (при производительности 9000 тонн в год) составит около 300 тонн в год;
• повысить производительность процесса на 50. 60 кг годных изделий в час за счет повышения скорости прессования;
• сократить производственные площади за счет ликвидации отдельных участков закалочных и правильных устройств;
• сократить на 2. 3 человека обслуживающий персонал;
• решить проблему измерения температуры прессуемого изделия на выходе из пресса;
• обеспечить регулирование температуры прессуемого изделия в узком диапазоне температур, не превышающем ±-5°С, необходимом для закалки изделий непосредственно на столе пресса;
• цовысить равномерность механических свойств и качество поверхности по всей длине прессуемого изделия за счет изотермического режима прессования и предварительной зачистки поверхности слитков в многопозиционном скальпирующем устройстве;
• решить проблему адаптации системы управления скоростью прессования к изменяющимся условиям прессования длинномерных изделий сложной конфигурации.
13. Разработан эскизный проект автоматизированной линии для производства крупногабаритных длинномерных изделий из высоколегированных алюминиевых сплавов. Такие изделия находят широкое применение в авиационной промышленности и других областях машиностроения и народного хозяйства.
14. Обобщен опыт проектирования и эксплуатации автоматизированных комплексов и линий изотермического прессования. Сформулированы принципы и намечены подходы к модернизации существующего отечественного пресо-вого производства.
15. Основные Элементы предлагаемых автоматизированных линий и комплексов прошли промышленное опробирование на предприятиях авиационной металлургии.
