автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация технологического процесса литья с наложением давления

На правах рукописи

РАССКАЗЧИКОВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ С НАЛОЖЕНИЕМ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8^

003472810

На правах рукописи 0

РАССКАЗЧИКОВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ С НАЛОЖЕНИЕМ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет» (ВлГУ) на кафедре автоматизации технологических процессов.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Коростелев Владимир Федорович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кобзев Александр Архипович

доктор технических наук, профессор Сажин Сергей Григорьевич

Научно-производственный центр «ИНОР», г. Королев, Московская область.

Ведущее предприятие -

Защита диссертации состоится « 1 » июля 2009 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.025.01 Владимирского государственного университета по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан « 29 » мая 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу совета университета: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ученому секретарю диссертационного совета Д.212.025.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета доктор технических наук профессор

Р.И. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современном машиностроении, приборостроении, авиационной и космической технике широкое применение нашли заготовки и изделия из высокопрочных алюминиевых сплавов, полученные литьем под давлением и жидкой штамповкой.

Исследованиям в этой области посвящены работы ученых и специалистов в России, США, Германии, Японии и других странах. Наиболее известны труды Вейника А.И., Баландина Г.Ф., Белопухова А.К., Батышева А.И., Самойловича Ю.А., Дембовского В.В., Пржибыла И., Бартона X., Чалмерса Б., №БЫс1а У., Ма1зиЬага Н. и других авторов.

Получение высококачественной металлопродукции достижимо на основе контроля параметров, обработки информации и принятия решений для автоматизации управления процессом.

Однако на сегодняшний день автоматизация литейных процессов (и в частности, процесса литья с наложением давления) находится на недостаточно высоком уровне, что обусловлено следующими особенностями процесса:

- недостаточная математическая база описаний процесса;

- низкая информативность процесса;

- малое количество параметров управления;

- активная среда;

- инерционность процесса управления.

В настоящее время автоматизированы в основном отдельные стадии процесса: например, локальная подпрессовка, заливка, заполнение пресс-формы, выбивка отливок.

Из анализа структуры применения материалов следует, что преобладающее место будут занимать высокопрочные алюминиевые сплавы и материалы на их основе. Дальнейшее улучшение свойств этих сплавов и их применение в различных отраслях могут быть достигнуты за счет разработки более совершенных технологий и применения новых, более эффективных алгоритмов, программ и технических средств автоматизированного управления. Поэтому тема диссертации, ориентированная на усовершенствование существующих и разработку новых систем управления (СУ) процессами литья с наложением давления, обеспечивающими повышение механических свойств изделий из алюминиевых сплавов является актуальной.

Анализ литературных данных показал, что до настоящего времени не проведен систематический анализ существующих подходов к разработке систем управления процессом, не вскрыты особенности механизмов структурообразования, отсутствует и научно обоснованный подход к выбору параметров термо-деформационной и временной обработки и их значений. ■

Ставится задача на модельных отливках повысить предел текучести изделия в 1,2 раза и при этом добиться снижения расхода энергетических и материальных ресурсов.

Для этого предлагается создать систему управления формированием структуры кристаллизующегося металла.

В диссертационной работе широко использованы труды и достижения отечественных и зарубежных ученых и специалистов в области автоматизации и

управления: Бессекерского В.А., Попова Е.П., Солодовникова В.В., Пупкова К.А., Цыпкина ЯЗ., Мирошника И.В., Фрадкова A.JI., Красовского A.A., Петрова Б.Н., Емельянова C.B., Тимофеева A.B., Поспелова Г.С., Заде Л., Kaiman R.E., Bellman R.E., Montana D.J., Davis L., White D.A.

Целью диссертационной работы является разработка системы управления процессом производства отливок с более высоким уровнем свойств из алюминиевых сплавов с использованием данных и знаний, полученных в процессе исследований, современной электронной базы, программно-алгоритмических и аппаратных средств.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- обосновать с теоретической точки зрения возможность управления формированием структуры и свойств отливок в условиях программируемого (программно-корректируемого) наложения давления;

- разработать экспериментально-аналитический метод, позволяющий на основе экспериментальных данных о распределении температуры в стенке формы проводить моделирование тепловых процессов в отливке, использовать информацию датчиков для расчета изменения объема металла;

- провести исследования и установить закономерности формирования структуры и свойств отливок в зависимости от величины и характера наложения давления, а также с учетом температурных режимов кристаллизации, изучить свойства расплава как объекта управления (ОУ) в условиях наложения давления;

- разработать программно-алгоритмическое и информационное обеспечение, состав и структуру системы управления;

- разработать указания по практическому использованию результатов исследований в производстве изделий литьем с наложением давления.

В качестве объекта исследования выступает технологический процесс литья и формирования структуры металла в условиях наложения давления на жидкий и кристаллизующийся металл.

Предметом исследования и разработки является автоматизация технологии литья, в которой давление используется как управляемый параметр процесса.

Методы исследования основываются на фундаментальных законах физики и термодинамики, основных положениях теории автоматического управления, новых положениях теории сложных систем и синергетики, теории эксперимента, методах вычислительной математики и математического моделирования.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

- разработан метод исследования, включающий экспериментально-аналитический метод исследования тепловых процессов, математическую модель тепловых процессов и математическое моделирование привода;

- разработан алгоритм управления процессом литья с наложением давления;

- разработана структура системы управления, позволяющей поддерживать требуемый закон наложения давления, согласованный со скоростью кристаллизации.

Практическая значимость работы состоит в сокращении времени и трудовых затрат на создание систем управления, на оптимизацию управляемых параметров, а также в повышении физико-механических свойств отливок.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе кафедры «Автоматизация технологических процессов» Владимирского государственного университета и на промышленных предприятиях, что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на международных научных конференциях: Ежегодная Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (Москва, 2006), 1-я Российская мультиконференция по проблемам управления (С.-Петербург, 2006), Международная научная конференция «Математические Методы в Технике и Технологиях - ММТТ- 21» (Саратов, 2008), Всероссийском форуме «Образовательная среда-2007» (Москва, 2007).

Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК для публикаций результатов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 146 наименования и приложений. Общий объем диссертации 170 страниц, в том числе: 160 страниц основного текста включающего 61 рисунок и 9 таблиц.

На защиту выносятся:

- метод исследования;

- результаты исследований:

• тепловых процессов в отливке;

• сжимаемости металла;

• упругости металла;

• переходных процессов в приводе;

- алгоритм управления процессом литья с наложением давления;

- структура системы управления объектом со скрытыми свойствами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость результатов диссертации. Глава 1. Литературный обзор. Постановка задач

Рассматриваются вопросы автоматизации процесса литья с использованием давления.

Проводится анализ состояния автоматизации процесса литья с наложением давления.

Автоматизация управления процессами, происходящими при формировании отливки, становится на данном этапе развития литейного производства важнейшим условием дальнейшего прогресса и развития.

Сегодня в мире насчитывается более десяти систем автоматизированного моделирования литейных процессов (САМ ЛП). Моделирующие системы на российском рынке представлены несколькими системами. Российские - это

ПОЛИГОН и LVM-FLOW, зарубежные - РгоСАБТ (США), 5оНс1СА5Т (США), СаэСАЕ (Финляндия), SIMTEC/WinCAST (Германия), Magшasoft (Германия).

Из-за высокой цены программ, отсутствия в большинстве случаев русскоязычного интерфейса и отечественной базы данных по материалам и сплавам, а также сложности обучения программные продукты зарубежных производителей не получили заметного распространения на российском рынке. Наиболее известная - это российская система «Полигон».

САМ ЛП «Полигон» предназначена для анализа процесса затвердевания, однако возникают значительные трудности при попытке использования ее для оценки состояния отливки и управления кристаллизацией в режиме реального времени.

Показано, что выбрав в качестве фактора дополнительного внешнего воздействия наложение давления, как наиболее предпочтительного по управляемости и степени влияния, можно добиться повышения качества отливки.

Давление, накладываемое на металл в жидком состоянии, должно изменяться по закону согласованному со скоростью кристаллизации. Однако многочисленные попытки рассчитать скорость кристаллизации аналитически или определить экспериментально до настоящего времени не увенчались успехом. Основными проблемами при этом являются:

- нелинейные эффекты - выделение скрытой теплоты на фронте кристаллизации, зависимость теплофизических свойств от температуры;

- необходимость дополнительного математического описания начальных и граничных условий;

- необходимость описания быстропротекающих тепловых процессов дифференциальными уравнениями второго и более высоких порядков;

- отсутствие данных о влиянии давления на процессы теплообмена на границе расплава и формы.

Недоступность важной с точки зрения управления информации для системы управления и необходимость использования позиционного принципа управления приводит к необходимости рассматривать кристаллизующийся металл как объект со скрытыми свойствами (параметрами).

Отсюда следует, что для управления формированием структуры наиболее близкими по принципу построения и структуре являются системы позиционного управления с элементами интеллектуальных систем.

В качестве одного из предлагаемых подходов рассматривается создание нейросетевой модели. Установлено, что для корректной работы такой нейросети необходимо ее обучение на реальных примерах, число которых должно составлять не менее 1000. Поэтому вариант использования этой модели для решения поставленной задачи представляется проблематичным.

Обзор существующих программных средств свидетельствует о невозможности их использования для оценки состояния отливки и управления кристаллизацией, поэтому в данной работе ставится задача выполнить исследования, изучить свойства объекта и создать систему управления процессом литья с наложением давления на жидкий и кристаллизующийся металл с целью повышения свойств отливок из высокопрочных сплавов.

Глава 2. Разработка теоретических основ и метода исследования процесса

Для исследования был выбран широко применяющийся в промышленности сплав типа В95.

Предлагается для формирования структуры, в том числе и плотноупакованных фрагментов наноструктур, накладывать давление на металл до начала кристаллизации.

С учетом того, что уровень давления, применяемого в процессах жидкой штамповки и литья под давлением, не более 300 МПа, на данном этапе исследований были определены оптимальные параметры применяемого оборудования и технологической оснастки из условия повышения давления до 400 МПа.

Для достижения более высоких свойств необходимо обеспечить, чтобы каждый атом в структуре металла имел как можно больше связей с соседними атомами.

С этой точки зрения технологически реализуемое сближение атомов при опрессовке жидкого металла, с одной стороны, нейтрализует развитие естественных процессов подготовки фазовых превращений, с другой стороны, сжимает растворенные газы, обеспечивает более равномерное по сравнению с обычным гравитационным литьем распределение неметаллических включений. Но значительно более существенным является сближение атомов на расстояния, когда проявляется действие упругих сил взаимного отталкивания. Благодаря этому эффекту давление, развиваемое в окрестности прессующего плунжера, распространяется на определенное расстояние, которое и определяет возможности формирования равномерной без существенных различий структуры. Установлено, что в рассматриваемых условиях расстояние, на которое распространяется давление, составляет

а = 2с!п,

где с)п - диаметр плунжера.

Наложение давления путем запрессовки внутрь отливки из полости специально предусмотренных камер дополнительных объемов металла создает условия для преодоления сопротивления и сближения атомов. Можно предположить, что при этом захлопываются внутренние межкластерные пространства, или под влиянием давления амплитуда колебаний атомов уменьшается или изменяется взаимное пространственное расположение атомов, координационное число увеличивается. И если внешние очертания атомов представляют собой шары, то их сближение небеспредельно. Механическое соприкосновение атомов происходит при достижении давления более 300 МПа.

Сближение атомов на расстояние действия достаточно больших сил отталкивания создает ложное представление об окончании процесса.

Поведение жидкого металла под давлением в первой фазе может быть представлено моделью плотной неупорядоченной упаковки жестких сфер.

Во второй фазе объем запрессовываемого металла изменяется по сложной зависимости

ат

I/ л<1г ,

где V = — / - ооъем запрессовываемого плунжером металла при перемещении на

расстояние /, х - время, у - коэффициент изменения объема при переходе из жидкого состояния в твердое, Г - поверхность фронта кристаллизации, У(р,2,.ч) - функция

скорости кристаллизации от давления р, скорости охлаждения г, структурных факторов .V.

После сближения атомов как «жестких сфер» в жидком состоянии дальнейшая опрессовка происходит в темпе кристаллизации. Давление в этой фазе, вероятно, необходимо не для того, чтобы сблизить атомы на величину усадки, а для преодоления сопротивления нагромождений атомов, которые при этом доходят до фронта кристаллизации и способствуют дополнительной упаковке атомов.

Таким образом, существенным дополнением в представления о кристаллизации, вытекающим из анализа осциллограмм процесса, является пьезо-эффект, т.е. уплотнение в момент возникновения кристалла.

Известно, что внутри капли жидкости, согласно Лапласу, действует дополнительно давление

2а

Ар = —-, г

где г - радиус капли, <тл- поверхностное натяжение.

Установлено, что при измельчении частиц до наноразмеров возможно сжатие кристаллической решетки под влиянием давления Лапласа.

Поэтому накладываемое извне давление значительно большей величины может оказывать более сильное влияние на взаимодействия как отдельных атомов, так и их ассоциаций.

Разработан следующий метод исследования. Рассчитана, спроектирована и изготовлена технологическая оснастка. В качестве оборудования использован пресс с рабочим усилием 3 МН.

Принципиальная схема процесса приведена на рис. 1.

Обозначения:

1 - шток гидроцилиндра; 2 - плунжер прессующий левый; 3 - основание; 4 - матрица; 5 - полость формы, заполненная жидким металлом; 6 - кольцо; 7 - чаша заливная; 8 - плунжер прессующий правый; 9 - штуцер вакуумной системы; 10 - заливочное отверстие; Оотл - диаметр отливки; Нотл - высота отливки.

Согласно принципиальной схеме (рис. 1), процесс осуществляется в несколько этапов. Сначала металл свободной заливкой подают в полость формы. Правый плунжер 8 перекрывает заливочное отверстие 10, после чего в работу включается левый плунжер 2. С помощью пресс-плунжеров металл сжимают, обеспечивая при этом четкое формообразование отливки. По мере образования корки по поверхности отливки к пресс-плунжерам прикладывают дополнительное усилие по определенному закону, под влиянием которого сопротивление корки преодолевают, а давление накладывают на незакристаплизовавшийся металл, впрессовывая при этом внутрь отливки дополнительный объем металла, необходимый для компенсации усадки.

Отличие данной технологии, от известных процессов литья под давлением и жидкой штамповки, заключается в том, давление накладывается изнутри, из-под корки закристаллизовавшегося металла. Процесс построен таким образом, что изменение величины давления отрабатывается с учетом развития процесса кристаллизации во времени, с учетом свойств сплава, конфигурации отливки и других факторов.

Разработан экспериментально-аналитический метод, в основу которого положена модель тепловых процессов, происходящих в форме и отливке в процессе кристаллизации.

Математическая модель применительно к рассматриваемому объекту, представлена в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных.

Схематически распределение температуры в отливке и форме приведено на рис.2.

На рис. 2: х - координата; г - время; 1\(х, г) - температурное поле в стенке слитка; Т2(х, т) - температурное поле в стенке формы; Ж - жидкая зона; Д - двухфазная зона; Тв - затвердевшая зона слитка; х,/2 - симметричная половина стенки слитка; х2 -толщина стенки формы; Т, - температура начала затвердевания;Т5 - температура конца затвердевания; Т„ - начальная температура формы; 4 - температура на поверхности контакта слитка и формы; 13 - температура заливаемого материала; с(т) -граница фронта затвердевания; у (г) - граница фронта кристаллизации; г(т) - жидкий металл; г(т) - глубина прогрева формы; И - шаг сетки.

Количество теплоты, аккумулированное формой, рассчитывается по формуле:

а^оМ^/'Ч,,). (1)

Здесь с2 - теплоемкость формы; р2 - плотность формы; Р - площадь сечения формы; / - толщина стенки формы; !2Р - средняя температура формы; ¡ф - начальная температура формы.

Зная количество теплоты ()тк, аккумулированной формой за время т, получаем величину удельного теплового потока на границе отливка-форма:

д (2) г

С другой стороны, тепловой поток можно определить как

. Д/ Дг ,

Ах к п

Из формулы (3) получаем температуру в точке х, ,,

' (4)

В данной последовательности действий единственным недостающим звеном является величина //р - средняя температура формы, которая рассчитывается математическим интегрированием по формуле:

//' = '{Т^хук. (5)

Тн

Для её определения в стенке формы устанавливаются термопары платинородий-платина с диаметром электродов 0.5 мм (ТгТ5), с помощью которых фиксируют информацию об изменении теплоты, аккумулируемой формой. Для продолжения итерационного процесса и нахождения температуры в следующей точке необходимо в формулу (4) подставить новое значение д.

Для этого из вновь найденного на данный момент времени общего количества теплоты Оакк необходимо вычесть количество теплоты 0!0т<>, отданное в форму первым слоем И.

=({стУв (Г/Ч)+сVе (Т8- 1/)+с'У (Ть - Т<//+сУ (/ГТ(6)

Здесь: сТв - теплоемкость твердой части отливки; рТ" - плотность твердой части отливки; с" - теплоемкость двухфазной зоны; р" - плотность двухфазной зоны; сж -теплоемкость жидкой зоны; р*- плотность жидкой зоны; // - температура в точке х,; у/

- концентрация твердого металла в двухфазной зоне, принято у/ = 0,7; А - шаг сетки; К

- поверхность, через которую распространяется тепловой поток, 1м2.

Значение д на границе первого и второго слоя

41-2---

т

Расчеты температур в следующих точках необходимо продолжать, пока не будет выполнено условие > 13.

В следующий момент т2 снимаются новые показания термопар в точках 1,2, 3, 4, 5. Строится зависимость ¡2(х), определяется далее рассчитываются $акк, д и т.д.

Информация о распределении температуры используется для расчета предполагаемого объема металла, который мог бы закристаллизоваться в данный

момент времени. Сравнение этого результата с объемом запрессованного металла, определяемым по внедрению плунжера, позволит рассчитать объем металла, который нужно дополнительно запрессовать для компенсации усадки.

Глава 3. Исследование свойств расплава как объекта автоматизации и управления

В условиях наложения давления выявлены особенности поведения расплава на всех этапах формирования структуры, как до начала кристаллизации, пока металл находится в жидком состоянии, так и во время кристаллизации.

С помощью прикладной программы «Пресс» было проведено наблюдение в реальном времени циклограмм процесса. Наблюдения проводились в обычном режиме работе системы и в режиме с модуляцией давления.

С учетом рассчитанных масштабных коэффициентов на рис. 3. представлены

Рис. 3. Результаты обработки циклограммы

В качестве параметра, характеризующего поведение жидкого металла, предлагается коэффициент относительной сжимаемости, как отношение объема запрессованного внутрь отливки металла к первоначальному объему, т.е.

АУ

£= — •100%, К

где ДГ - объем металла, запрессованного внутрь отливки в данный момент времени; У0 - объем полости формы, в которую залит металл.

Таким образом, коэффициент сжимаемости характеризует изменение объема металла при наложении давления.

На рис.4 приведен график, характеризующий сжимаемость жидкого металла, которая в данном эксперименте достигает 12,4 %.

Сжимаемость жидкого металла, описываемая экспоненциальной зависимостью с точкой перегиба, характеризующей переход из состояния относительно быстрой сжимаемости на величину ~ 10% в состояние замедленной сжимаемости под давлением не менее 400 МПа на величину ~ 2,4%, является скрытым свойством изучаемого процесса.

е®

Рис. 4. Изменение коэффициента сжимаемости по ходу процесса

В следующей серии экспериментов было обращено внимание на поведение металла при быстром сбросе давления. Циклограмма процесса приведена на рис. 5.

Видно, что в моменты отключения давления происходит «отскок» плунжеров на некоторое расстояние. При включении давления происходит восстановление графика, общий характер кривой несущественно отличается от графика движения при непрерывной подаче давления. Усилие, необходимое для возвращения плунжеров с учетом трения и схватывания с твердым металлом может достигать 15...20 кН. Следовательно, уже на ранних стадиях опрессовки между атомами накапливается упругая энергия, а в момент отключения давления металл ведет себя как сжатая пружина, отталкивающая прессующие плунжеры.

Наложение давления в режиме импульсной модуляции (период 10 с, отключение 1 с) показывает, что со временем «упругое последействие» сжатого металла уменьшается и оно исчезает полностью, когда экспонента сжимаемости достигает максимального значения.

Упругость - важное свойство ОУ, определяющее возможность распространения энергии в объеме на требуемом удалении от прессующего плунжера, а также равномерного сближения и уплотнения атомов.

4<хж/ , . , «ооо «9оо «иуо пт

Рис. 5. Процесс с частотно-импульсной модуляцией

Сравнение поведения правого и левого плунжеров показывает, что их реакция на сброс давления неодинаковая. Правый плунжер, который включен первым и к моменту включения левого остановился, проявляет рефлексы меньшей амплитуды, а их.угасание происходит уже после третьего импульса. Это наводит на предположение, что энергия в объеме, прилегающем к одному из плунжеров, отличается по величине от энергии в объеме, контролируемом другим плунжером. Отсюда следующее свойство ОУ - разный уровень удельной, т.е. отнесенной к единице объема, энергии. Различие в уровнях удельных энергий, накопленных при наложении давления, можно связать с несимметричным распределением температурных полей, с образованием агрегатов и атомных кластеров, заклинивающих распространение металла из одних зон в другие.

Таким образом, во время периодических отключений давления в гидросистеме на кривой, характеризующей движение плунжера внутрь расплава, проявляются всплески, которые можно интерпретировать как отскок, возвращение плунжеров в исходное положение. По характеру отскока видно, что он подобен поведению разжатой пружины. Так может себя вести среда, обладающая упругими свойствами. Рассматриваемая система представляет собой твердую, твердо-жидкую и жидкую фазы. Естественно, что свойствами упругости может обладать только жидкий расплав. На рис. 5 видно, что с течением времени амплитуда отскоков уменьшается, что можно связать с соответствующим уменьшением жидкой фазы перед фронтом кристаллизации. Отсутствие отскоков на этой кривой вероятно связано с окончанием процесса кристаллизации.

Рассчитанное значение модуля упругости жидкого металла Е=12 ГПа.

Проведено исследование ОУ на этапе кристаллизации. Выполнено моделирование тепловых процессов в форме и отливке.

Процесс моделирования распределения температурных полей в отливке основан на разработанном экспериментально-аналитическом методе, согласно которому моделирование тепловых процессов в стенке отливки строится на основе реальных данных о распределении температуры в стенке формы, полученных с помощью термопар в ходе экспериментов. Далее с помощью разработанной прикладной программы осуществляется моделирование тепловых процессов в стенке отливки.

Графически результаты моделирования представлены на рис. 6. Правая часть - это стенка формы. Здесь приведены экспериментальные зависимости, слева для различных моментов времени приведено распределение температур в стенке отливки.

В процессе моделирования варьировали степенью перегрева расплава и начальной температурой формы.

Для того, чтобы сформировать равномерную по всему объему структуру, необходимо накладывать давление в отсутствие теплообмена.

Повышение начальной температуры формы и увеличение степени перегрева расплава привело к тому, что образующаяся в первые моменты времени после заливки корка за счет притока тепла изнутри расплавляется, что дает возможность поднять давление и опрессовать металл непосредственно у поверхности контакта с формой. Таким образом, установлено, что необходимая для наложения давления на жидкий металл температура формы ¿/,=220 °С, а температура заливаемого металла /,=850 °С.

Рис. 6. Распределение температуры в форме и отливке

Обозначения:

1 - 4 с; 2 - 8 с; 3 - 12 с; 4 - 20 с; 5 - 50 с; 6 - 80 с;

¡ф - начальная температура формы; /э - температура плавления эвтектики;

- температура контакта; - температура солидуса; /д - температура ликвидуса.

При достигнутом уровне давления механизм кристаллизации не изменяется. Из расплава выделяется а-твердый раствор, а на границу вытесняется легкоплавкая эвтектика.

Отсюда можно представить крайний случай, когда по оси отливки температура достигла равновесного солидуса, т.е. в основной массе металл закристаллизовался и давление отсутствует, по границам зерен остается эвтектика, которая кристаллизуется, но уже без влияния давления.

Такая кристаллизация может привести к проявлению усадки, к разрыхлению металла, к потере прочностных и пластических свойств. Поэтому температуру на поверхности контакта поддерживали на уровне 10...20 К, что обеспечивало

направленное движение кристаллов эвтектики от периферии к центру.

Переход металла из жидкого в твердое состояние сопровождается не только чисто термическим уменьшением объема, связанным с охлаждением, но и аномальным уменьшением объема в момент перехода атомов из жидкого состояния в кристаллическое. По разным данным, усадка при этом может составлять 0,3...0,5%. И если эвтектика, как показано на рис. 6, обволакивает зерна а-твердого раствора у образует таким образом систему сообщающихся каналов, то при наложении давленш со стороны незакристаллизовавшегося объема расплава предоставляется возможность продавливать металл не только в двухфазную Зону, но и значительно глубже ш расстояние а (рис. 6) и компенсировать усадку там, где в обычных условиях ее компенсировать невозможно.

Таким образом, прослеживая поведение расплава в интервале температур от комнатной до полного расплавления как при нагреве, так и при охлаждении, можно прийти к выводу, что наиболее важные с точки зрения формирования структуры, свойств и дефектов процессы протекают при переходе из жидкого состояния в твердое.

Глава 4. Автоматизация процесса наложения давления при производстве отливок из сплава В95

Алгоритм управления процессом приведен на рис.7.

Алгоритм управления включает расчет скорости кристаллизации, расчет объема запрессовываемого металла, сравнение расчетных и фактических значений сжимаемости, корректировку закона наложения давления.

Рис. 7. Алгоритм управления

Разработанная структура системы управления приведена на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема системы управления наложением давления

Обозначения: ОУ - объект управления; УП - управляющая программа; £2 - внешние возмущения; РО - рабочий орган; ИГЦ - исполнительный гидроцилиндр; ЭМК -электромагнитный клапан; ШИМ - широтно-импульсный модулятор; СУ -сравнивающее устройство; КСУ - компьютерная система управления; ГН -гидронасос; Пр - преобразователь; БД - база данных; Мат.м. - математическая модель; Уус - объем усадки кристаллизующегося металла; Умпр - объем запрессованного металла; Д1 - датчик перемещения плунжеров; Д2 - датчик давления в гидросистеме.

В соответствии со структурной схемой на рис. 8 в качестве ОУ выступает процесс наложения давления на жидкий металл. Информативным параметром может быть удельный тепловой поток ц на границе «отливка-форма», фиксируемый экспериментально с помощью термопар, установленных в стенке формы на разном удалении от рабочей поверхности. Зависимость q от времени используется для описания граничных условий, которые наряду с дифференциальными уравнениями теплопроводности для твердой, двухфазной и жидкой зон отливки представляют собой математическую модель (Мат.м.) тепловых процессов.

Разработана подпрограмма для расчета в автоматическом режиме скорости кристаллизации, объема закристаллизовавшегося металла Укр за фиксированный отрезок времени, а также объема усадки \?ус=£Укр, где е - коэффициент сжимаемости металла в процессе кристаллизации. По команде УП за тот же отрезок времени с помощью датчиков перемещения плунжеров Д1 и Пр рассчитывается объем запрессованного металла У.ипр

Из БД КСУ определяет величину давления в гидросистеме, необходимого для опрессовки жидкого металла на основании ранее установленной зависимости р! = А^кр), а с помощью Д2 измеряется фактическое давление р2 в гидросистеме. Разность давлений (р! - р2) используется в коррекции параметров ШИМ; сюда же подается разность (Умпр - Уус). В режиме разделения времени КСУ поочередно осуществляет коррекцию параметров ШИМ по сигналам от СУ1 и СУ2, поддерживая требуемый закон наложения давления, согласованный со скоростью кристаллизации.

Прежде всего, важно обратить внимание на такие этапы управления как тепловое взаимодействие залитого металла с поверхностью формы от начала контакта до достижения температуры контакта, включая и время расплавления корки кристаллов, -фаза 1; о прессовка жидкого металла - фаза 2; выдержка для снижения температуры контакта - фаза 3; повышение давления и продавливание металла для компенсации усадки легкоплавкой эвтектики — фаза 4.

Для каждой из названных фаз разработан алгоритм управления, в среде Borland С++ написан супервизор и отдельные подпрограммы.

Для проверки работоспособности и определения основных параметров регулирования гидропривода с помощью ШИМ проведено моделирование в системе MATLAB Simulink.

На рис. 9 приведена модель замкнутого по положению гидропривода.

нэ

ш

ш-

-s

чж™

4g

•m-

Рис.9. Модель замкнутого по положению гидропривода

На рис. 10 приведены результаты моделирования при отработке ступенчатого и линейно нарастающего воздействия соответственно.

Моделирование проводилось с учетом параметров используемого гидропривода: производительность гидронасоса Qн = 20 л / лп/н; диаметр цилиндра 0£( = 200 л-ш; диаметр штока Пш-60мм; частота ШИМ Рш„м=б Гц; постоянная времени электромагнита = 0,1 с.

) ступенчатое воздействие б) линейно нарастаюшее воздействие

Рис.10. Сигнал датчика перемещения гидропривода

Приведенные графики свидетельствуют о работоспособности системы управления приводом по методу широтно-импульсной модуляции и возможности полумения требуемых характеристик переходных процессов (характер переходных процессов колебательный или апериодический, время переходного процесса, перерегулирование).

Использование данной системы управления предоставляет возможность изучить свойства объекта, скорректировать управляющую программу, получить важную для создания базы данных информацию.

Разработанная СУ использована при производстве опытных отливок из сплава В95. Как видно из рис. II, микроструктура литого сплава В95 существенно приближена к микроструктуре того же сплава в деформированном состоянии.

„ -%• ■*_„. " - сг „г"* 1": !1 Рис. 11. Фотография микроструктуры отливки с разрешением 100 мкм

Из рис.12 видно, что на модельных отливках из сплава В95 достигнуто повышение предела текучести на ~ 20% по сравнению с тем же сплавом в деформированном состоянии.

Деформация, %

— Деформированный В95 —°— Литой В95

Рис. 12. Предел текучести сплава В95

Повышение предела текучести может быть связано с состоянием границ зерен. За счет наложения давления в литом материале такие дефекты как высокоугловые границы, вакансии, стоки дислокаций оказываются заполненными атомами по каналам легкоплавкой эвтектики. Что же касается формирования прочности и пластичности, то, в отличие от обычной закалки и старения, требуется корректировка температуры и времени выдержки во время старения.

В заключении приведены следующие выводы по диссертации, научные и практические результаты:

1. Теоретической предпосылкой для улучшения свойств сплавов за счет наложения давления является пьезо-эффект (давление Лапласа), который в данном случае проявляется в сжатии кристаллической решетки, в усилении связей как между отдельными атомами, так и в их ассоциациях. Установлено, что опрессовка металла происходит в два этапа. Первый этап характеризуется относительно быстрой сжимаемостью до точки перегиба, после которой наступает этап замедленной сжимаемости. Первый этап может быть связан со сближением атомов и захлопыванием межкластерных пространств, второй - с компенсацией усадки в процессе кристаллизации.

2. Разработан метод исследования, оригинальность которого состоит в измерении температурных полей в форме, расчете положения фронта затвердевания в соответствии с программой, осциллографировании показаний датчика давления в гидросистеме и датчиков движения плунжеров, изменения объема кристаллизующегося металла при наложении давления.

3. Исследованы важные для управления процессом свойства расплава: сжимаемость (12,4%), упругость (Е=12 ГПа), сопротивление продавливанию металла в межкристаллические пространства (400 МПа), определены температурные режимы литья и режимы наложения давления.

4. Разработан алгоритм управления наложением давления, предусматривающий расчет скорости кристаллизации, расчет объема запрессовываемого металла, сравнение расчетных и фактических значений сжимаемости, корректировку закона наложения давления. Осуществлена автоматизация процесса. Определены контролируемые и управляемые параметры в 4-х фазах процесса. Разработана СУ с переменной структурой, включающая расчетный и измерительный контур. Согласованное управление предложено осуществлять с использованием широтно-импульсной модуляции включения давления в гидросистеме. В фазе 1 контролируемый параметр - температура контакта, контролируемый и управляемый - давление на жидкий металл. Во 2-й фазе контролируемый и управляемый параметр - сжимаемость жидкого металла. В 3-й фазе отслеживается отрезок времени для снижения температуры контакта до необходимого уровня. В 4-й фазе контролируемый и управляемый параметр - сжимаемость жидкого металла.

5. В структуру автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) включены два контура: расчетный и измерительный; расхождение данных компенсируется законом наложения давления в режиме широтно-импульсной модуляции. Выполненное моделирование гидропривода в среде \latlab позволило определить режимы модуляции, при которых обеспечивается требуемое качество управления наложением давления.

6. Разработанная система управления реализована при производстве отливок из сплава В95. Достигнуто повышение предела текучести в 1,2 раза по сравнению с тем же сплавом в деформированном состоянии по серийной

технологии, отмечено на ряде сплавов повышение твердости и модуля упругости.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях по перечню ВАК:

1. Коростелев, В.Ф. Алгоритмическое и программное обеспечение системы управления процессом литья с наложением давления [Текст] / В.Ф. Коростелев, А.Н. Рассказчиков, И.Е. Мартынов // Мехатроника, автоматизация, управление. - М.: Новые технологии, 2008. №1 (82). - С.35-42.

Публикации в остальных изданиях:

2. Рассказчиков, А.Н. Программное обеспечение управления лазерным комплексом Перспективы развития лазерных технологий [Текст] / А.Н. Рассказчиков, Н.Г. Рассказчиков // Труды научно-технической конференции с международным участием. - М.: Новые технологии, 2005. -С. 41-43.

3. Коростелев, В.Ф. Тепловая диагностика, контроль и управление технологическими процессами и оборудованием [Текст] / В.Ф. Коростелев, Н.Г. Рассказчиков, А.Н. Кирилина, А.Н. Рассказчиков // 1-я Российская мультиконференция по проблемам управления: Материалы 3-й научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление». -СПб., 2006.-С.313.

4. Коростелев, В.Ф. Автоматизация управления лазерным термическим упрочнением / В.Ф. Коростелев, Н.Г. Рассказчиков, А.Н. Кирилина, А.Н. Рассказчиков // 1-я Российская мультиконференция по проблемам управления [Текст]: Материалы 3-й научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление», СПб., 2006. - С.329.

5. Кирилина, А.Н. Диагностика оборудования и управление технологическими процессами на основе информации о температурных полях [Текст] / А.Н. Кирилина, А.Н. Рассказчиков, П.В. Камшилов // Ежегодная XVIII Международная Интернет-конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС 2006). -Москва, 2006. URL: http://www.imash.ru/conf/mcga/2006/mega2006.shtml.

6. Коростелев, В.Ф. Программно-аппаратный комплекс для изучения технологии литья с наложением давления [Текст] / В.Ф. Коростелев, Рассказчиков Н.Г., Рассказчиков А.Н. // Всероссийский форум «Образовательная среда-2007», - Москва, 2007. - С.308-310.

7. Коростелев, В.Ф. Система управления процессом литья с программно-корректируемым наложением давления на жидкий металл [Текст] / В.Ф. Коростелев, А.Н. Рассказчиков. - Ковров: КГТА, 2008. - С.310-313.

8. Рассказчиков, А.Н. Моделирование процесса литья с наложением давления на кристаллизующийся металл [Текст] / А.Н. Рассказчиков // Математические методы в технике и технологиях: Сборник трудов XXI международной научной конференции. - Саратов, 2008.

Подписано в печать 28.05.09 г. Формат 60x84/16. Печ.листов 3. Тир. 100 экз. Заказ № 1887 от 28.05.2009 Издательство Владимирского государственного университета 600000, Владимир, ул. Горького, 87

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ.

1.1. Состояние автоматизации литейных процессов, основанных на использовании давления.

1.2. Влияние давления на кристаллизацию отливок.

1.3. Тенденции развития систем автоматического управления.

1.4. Предлагаемые подходы.

1.5. Выводы.:.

2. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ'И'МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА.

2.1. Основы теории упрочнения, алюминиевых сплавов.

2.2. Метод исследования.

2.2.1. Обоснование режимных параметров и принципиальной-схемы* процесса.

2.2.2. Математическая модель исследуемого процесса.

2.3. Контрольно-измерительная система.

2.4. Выводы.92'

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВРАСПЛАВА КАК ОБЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ ИСПРАВЛЕНИЯ.

3.1. Исследование объекта управления на этапе наложения»давления

3.2. Исследование модуля упругости объекта управления.

3.3. Исследование объекта управленияша этапе кристаллизации

3.4. Выводы. 116й

4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА НАЛОЖЕНИЯ4. ДАВЛЕНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОТЛИВОК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ.

4.1. Разработка алгоритма управления процессом и управляющей программы.

4.2. Автоматизированная система управления технологическим процессом.

4.3. Моделирование гидропривода с регулированием подачей модулированного сигнала на дискретный электрогидравлический клапан.

4.4. Использование системы управления, при производстве отливок из сплава В95.

4.5. Выводы.

В современном машиностроении, приборостроении, авиационной и космической технике широкое применение нашли заготовки и изделия из высокопрочных алюминиевых сплавов, полученные литьем под давлением и жидкой'штамповкой.

Производство отливок из алюминиевых сплавов в различных странах составляет 30-50% общего выпуска (по массе) продукции литья под давлением.

Номенклатура выпускаемых отечественной промышленностью отливок очень разнообразна. Этим способом изготовляют литые заготовки самой, различной конфигурации массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов. Применение эффективной подпрессовюг дает возможность получать очень плотные герметичные детали, такие, как алюминиевый корпус отопительной батареи. Заполнение этой тонкостенной крупногабаритной отливки металлом сопровождается- активным захватом газов из полости пресс-формы, однако высокое давление (выше 400 МПа) обеспечивает высокую степень сжатия воздушных и газовых включений.

Некоторые отливки имеют сложные криволинейные поверхности и. каналы, которые при заданных точности и шероховатости и экономической целесообразности не могут быть выполнены никакими другими способами, кроме как литьем под давлением, например головка блока цилиндров и диск вентилятора компрессора.

Наложение давления на кристаллизующийся расплав позволяет улучшить условия питания во время усадки отливки, повысить ее качество -механические свойства и герметичность. После заполнения формы давление действует на расплав; который* из тигля через металлопровод поступает в затвердевающую отливку и питает ее. Благодаря этому усадочная пористость в таких отливках уменьшается, плотность и механические свойства возрастают.

Исследованиям в этой области и автоматизации процессов посвящены работы ученых и специалистов в России, США, Германии, Японии и других странах. Наиболее известны труды Вейника А.И., Баландина Г.Ф., Белопухова А.К., Батышева А.И., Самойловича Ю.А., Дембовского В.В., Пржибыла И., Бартона X., Чалмерса Б., Nishida Y., Matsubara Н. и других авторов.

Получение высококачественной металлопродукции достижимо на основе контроля параметров, обработки информации и принятия решений для организации управления процессом:

Однако на сегодняшний день автоматизация- литейных процессов находится на недостаточно высоком уровне, что обусловлено следующими особенностямишроцесса:

- недостаточная математическая база описаний процесса;

- низкая информативность процесса;

- малое количество параметров управления;

- активная среда;

- инерционность процесса управления.

В' настоящее время автоматизированы в основном отдельные стадии процесса: например, локальная подпрессовка, заливка, заполнение пресс-формы, выбивка отливок. Это, несомненно, повышает производительность труда и оказывает положительное влияние на качество отливок, стабилизирует параметры технологии, но не решает проблемы качественно, а только снижает возможное отрицательное влияние человека (т.е. его ошибки) или позволяет снизить возможное отрицательное влияние отдельной (автоматизируемой) стадии технологического процесса на конечное изделие.

Существуют системы автоматизированного управления, перекрывающие (охватывающие) весь процесс изготовления отливок полностью, например, автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУТП) непрерывного литья, однако в задачу управления этих систем воздействие на ход процесса и формирование свойств отливок не входит.

Для управления самим процессом формирования отливки необходимо иметь информацию о влиянии каждого фактора в отдельности и о влиянии этих факторов во взаимодействии. Управлять процессом формирования отливки при литье в песчаные формы практически невозможно, так как в качестве входных управляемых параметров в процессе выступают лишь параметры^ самого расплава и нет возможности влиять на процесс. Способ литья с кристаллизацией под давлением ориентирован на использование управляемого фактора — накладываемого давления, влияющего на свойства конечного продукта. В' этой связи необходимо при исследовании процесса, определить влияние давления на свойства отливок, и на основе математического описания определить законы управления.'

Необходимо-также обратить.внимание, что общая мировая тенденция' развития-техники — использование в конструкциях сплавов и материалов со все более возрастающей удельной прочностью (отношение прочности к плотности материала) с целью1 повышения' общей эффективности изделий. При этом материал должен обладать необходимым комплексом* и, других эксплуатационных свойств: вязкости разрушения, сопротивления усталости, коррозионной стойкости и других, обеспечивающих надежность и безопасность эксплуатации конструкции.

Из анализа структуры применения материалов следует, что преобладающее место будут занимать высокопрочные алюминиевые сплавы и материалы на их основе. Поэтому тема диссертации, ориентированная на усовершенствование существующих и разработку новых систем управления (СУ) процессами- литья с наложением давления, обеспечивающими повышение механических свойств изделий из алюминиевых сплавов является-актуальной.

Анализ литературных данных показал, что до настоящего* времени не проведен систематический анализ существующих подходов к разработке систем управления процессом, не вскрыты особенности механизмов структурообразования, отсутствует и научно обоснованный подход к выбору параметров термо-деформационной и временной обработки и их значений.

Выражаясь другими словами, на данном этапе, когда традиционные технологии производства сплавов отработаны и СУ ими исчерпали свои возможности, получение уникальных сочетаний физико-механических свойств на сплавах заданного состава становится возможным лишь с применением новых более совершенных средств. В качестве одного из таких средств в диссертации разработана СУ процессом наложения давления на металл как объекта со скрытыми параметрами и свойствами.

В диссертационной работе широко «использованы труды и достижения отечественных и зарубежных ученых и специалистов в области автоматизации и управления: Бессекерского В.А., Попова Е.П., Солодовникова В.В., Пупкова К.А., Цыпкина ЯЗ., Мирошника И.В., Фрадкова А.Лс, КрасовскогоА.А., Петрова Б.Н., Емельянова С.В., Тимофеева А.В., Поспелова Г.С., Заде Л., Montana D:J., Davis L., White D.A.

Характерно, что необходимость использования данного технологического процесса кристаллизации металла с программным наложением давления во- всех случаях была обусловлена серьезными причинами, когда ни один из серийно освоенных процессов не давал положительных результатов. В этом смысле процесс достаточно универсален может применяться для сплавов с различной основой, в том числе и алюминиевых.

Ставится задача на модельных отливках повысить предел текучести изделия в 1,2 раза и при этом добиться снижения расхода энергетических и материальных ресурсов.

Для этого предлагается создать систему управления формированием структуры кристаллизующегося металла. В качестве объекта управления (ОУ) выступает жидкий металл, переменными параметрами, которые влияют на формирование структуры и свойств получаемого изделия, являются давление, накладываемое на жидкий металл, скорость охлаждения.

Выходными параметрами являются плотность, прочность, герметичность, отсутствие дефектов структуры, требуемое нанокристаллическое строение.

Судя, по- литературным данным, аналогов подобным системам не существует.

В качестве объекта исследования выступает технологический процесс литья и формирования; структуры металла в: условиях наложения давления на жидкий и кристаллизующийся металл.

В представленной работе предметом исследования и разработки^ является автоматизация-технологии литья, в которой .давление используется: как управляемый параметр процесса:

Целью диссертационной работы является разработка системы управления: процессом производства отливок с более: высоким уровнем: свойств из. алюминиевых сплавов; с: использованием* данных ш знаний, полученных в процессе исследований, современной1 электронной; базы, программно-алгоритмических и аппаратных средств. /

Для достижения; поставленной цели необходимо решить следующие задачи: •

- обосновать с теоретической точки- зрения: возможность управления® формированием структуры и-- свойств отливок в условиях: программируемого (программно-корректируемого) наложения давления;

- разработать экспериментально-аналитический метод; позволяющий; на основе экспериментальных данных о распределении температуры в стенке формы проводить моделирование тепловых процессов в отливке, использовать информацию датчиков для расчета изменения объема металла;

- провести исследования и установить закономерности формирования структуры и свойств отливок в; зависимости от величины и характера наложения давления, а также с учетом температурных режимов кристаллизации, изучить свойства расплава как объекта управления

ОУ) в условиях наложения давления;

- разработать программно-алгоритмическое и информационное обеспечение, состав и структуру системы управления;

- разработать указания по практическому использованию результатов исследований в производстве изделий литьем с наложением давления.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

- разработан метод исследования, включающий экспериментально-аналитический метод исследования тепловых процессов, математическую модель тепловых процессов и математическое моделирование привода;

- разработан алгоритм управления процессом литья с наложением давления;

- разработана структура системы управления, позволяющей поддерживать требуемый закон наложения давления, согласованный со скоростью кристаллизации.

Методы исследования основываются на фундаментальных законах физики и термодинамики, основных положениях теории' автоматического управления, новых положениях теории сложных систем и синергетики, теории эксперимента, методах вычислительной математики и математического моделирования.

Практическая значимость работы состоит в сокращении времени и трудовых затрат на создание систем управления, на оптимизацию управляемых параметров, а также в повышении физико-механических свойств материалов и изделий.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе кафедры «Автоматизация технологических процессов» Владимирского государственного университета и на промышленных предприятиях, что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на международных научных конференциях: Ежегодная Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (Москва, 2006), 1-я Российская мультиконференция по проблемам управления (С.-Петербург, 2006), Международная научная конференция «Математические Методы в Технике и Технологиях - ММТТ- 21» (Саратов, 2008), Всероссийском форуме «Образовательная среда-2007» (Москва, 2007).

Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК для публикаций результатов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 145 наименования и приложений. Общий объем диссертации 170 страниц, в том числе: 153 страницы основного текста, включающего 58 рисунков и 9 таблиц.

Основные выводы, научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Теоретической предпосылкой для-улучшения* свойств» сплавов за счет наложения давления является пьезо-эффект (давление Лапласа), который в данном случае проявляется в сжатии кристаллической решетки, в усилении связей как между отдельными атомами, так и в их ассоциациях. Установлено, что опрессовка металла происходит в два этапа. Первый этап характеризуется относительно быстрой сжимаемостью до точки перегиба, после которой наступает этап замедленной сжимаемости. Первый этап может быть связан со сближением атомов, и захлопыванием межкластерных пространств, второй - с компенсацией усадки- в процессе кристаллизации.

2. Разработан метод исследования, оригинальность которого состоит в. измерении температурных полей в> форме, расчете положения фронта-затвердевания в соответствии с программой, осциллографировании показаний датчика давления в гидросистеме и датчиков движения плунжеров, изменения объема кристаллизующегося металла при наложении давления.

3. Исследованы важные для управления процессом свойства расплава: сжимаемость (12,4%), упругость (Е=12 ГПа), сопротивление продавливанию металла в межкристаллические пространства (400 МПа), определены температурные режимы литья и режимы наложения давления.

4. Разработан алгоритм управления наложением давления, предусматривающий расчет скорости кристаллизации, расчет объема запрессовываемого металла, сравнение расчетных и фактических значений сжимаемости, корректировку закона наложения давления. Осуществлена автоматизация процесса. Определены контролируемые и управляемые параметры в 4-х фазах процесса. Разработана СУ с переменной структурой, включающая расчетный и измерительный контур. Согласованное управление предложено осуществлять с использованием широтно-импульсной модуляции включения давления в гидросистеме. В фазе 1 контролируемый параметр — температура контакта, контролируемый и управляемый — давление на жидкий металл. Во 2-й фазе контролируемый и управляемый параметр — сжимаемость жидкого металла. В 3-й фазе отслеживается отрезок времени для снижения температуры контакта до необходимого уровня. В 4-й фазе контролируемый и управляемый параметр - сжимаемость жидкого металла.

5. В структуру АСУТП включены два контура: расчетный и измерительный; расхождение данных компенсируется законом наложения давления в режиме широтно-импульсной модуляции. Выполненное моделирование гидропривода в среде Matlab позволило определить режимы модуляции, при которых обеспечивается требуемое качество управления наложением давления.

6. Разработанная система управления реализована при производстве отливок из сплава В95. Достигнуто повышение предела текучести в 1,2 раза по сравнению с тем же сплавом в деформированном состоянии по серийной технологии, отмечено на ряде сплавов повышение твердости и модуля упругости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Берхеев, М.М. Основы систем автоматизированного проектирования Текст. : учеб. пособие / М.М. Берхеев, И.А. Заляев и др.; под ред. ЮгВ.Кожевникова. — Казань: изд. КГУ, 1988. 25 Зс. : ил., табл. — ISBN 5-7464-0048-3.

2. Сабиров, Д.X.' Компьютерные технологии в литейном производстве Текст. : труды седьмого съезда литейщиков России, т. II / Д.Х. Сабиров. Новосибирск, 2005. - С. 208-216.

3. Коростелев, В.Ф. Теория, технология и автоматизация литья с наложением давления Текст.: моногр. / В.Ф; Коростелев. М.: Новые технологии, 2004. - 224 с. - ISBN 5-94694-016-3.

4. Богдан, К.С. Средства и системы автоматизации литейного производства Текст. / К.С. Богдан, В.М. Горбенко, В.М. Денисенко и др. Mi: Машиностроение, 1981. - 272 с.

5. Копелевич, А.П. Автоматическое регулирование в черной металлургии Текст. : краткий справочник / А.П. Копелевич. М.: Металлургиздат, 1963.-408 с.

6. Автоматизация процесса литья под давлением на основе применения промышленных роботов и приборов контроля Текст. : обзор / НИИмаш. М., 1983. 85 с. (Сер. С-4: "Литейн. машиностроение")

7. Смирнов, В.А. Современные методы анализа и контроля продуктов производства Текст. / В.А. Смирнов. — М.: Металлургия, 1984. 253 с.

8. Жаров, Н.Т. Автоматизация некоторых литейных процессов Текст. / Н.Т. Жаров. М.: Машиностроение. 1983. - 316 с.

9. Дембовский, В.В. Автоматизация литейных процессов Текст.: справочник / В.В. Дембовский. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1989.-264 е.: ил. - ISBN 5-217-00411-8.

10. Глинков, Г.М. Теоретические основы автоматического управления металлургическими процессами Текст. / Г.М. Глинков, М.Д. Климовицкий,- М.: Металлургия, 1985. 304 с.

11. Гитгард, Д. А. Автоматизация плавильных электропечей с применением микроЭВМ Текст. / Д'.А. Гитгард. М. Энергоатомиздат, 1984 г. - 236 с.

12. Дембовский, В.В. Определение оптимальной настройки дозаторов Текст.// Новая техника и технология в производстве / В.В.1. ЗД/ЗЗЭ4.

13. Климовицкий, М.Д. Автоматический контроль и регулирование вметаллургии Текст.: справочник / М.Д. Климовицкий, А.П.

14. Копелович. М.: Металлургия, 1967. - 787 с.

15. Профос, П. Измерение в промышленности Текст.: справочник/ под. I ред. П. Профоса: пер. с нем. М.: Металлургия, 1980. - 648 с.

16. Андреев, А.А. Автоматические показывающие и самопишущие и регулирующие приборы Текст. / А.А. Андреев. JI. Машиностроение; 1991. - 287 с.

17. Немировский, Р:Г. Автоматические линии литейного производства Текст. / Р.Г. Немировский. Киев; Донецк: Вищ. шк., 1981. - 238 с.

18. Приборы,и средства автоматизации для металлургии Текст. / каталог-справочник. — М.: Металлургия, 1980. 87 с.

19. Баландин, Г.Ф. Структурно-механические* свойства сплавов» AlLSi в интервале кристаллизации и анализ их жидкотекучести Текст.: сб. Теплообмен между отливкой- и формой- / Г.Ф. Баландин, Л.П. Каширцев. -Минск: Высшая.школа, 1967. С. 59.

20. Новиков,, И.И. Горячеломкость цветных металлов и сплавов, Текст. / ИШ.Новиков. М-., Л 966. - 298-с.

21. Тихомиров, М.Д. Численное моделирование образования горячих трещин в- отливках из алюминиевых сплавов1 Текст. / М.Д. Тихомиров, Д:Х. Сабиров. М:: Литейное производство. - 1992, №6. -С.32-33.

22. Sohes Н. Microstructure of Rapidly Solidificed Materials. Mater. Sci. and Engin, 1984 - V. 65 - p. 145-156.

23. Абрамов, А. А. Высокопрочные литейные алюминиевые сплавы. Достижения и перспективы Текст. / А.А. Абрамов. «ЦНИИМатериалов-90 лет в материаловедении». Научно-технический сборник. Вып.2, Изд. СПбГПУ, 2004. С. 38-62.

24. Абрамов, А.А. Влияние высокого давления при кристаллизации на структуру и свойства алюминиевых сплавов Текст. / А.А. Абрамов, Д.М. Паутов, И.К. Боричева, Т.О. Зазерская. М.: Литейное производство 1989. №3 - С. 5-6.

25. Батышев, А.И. Влияние давления и интенсивности контактного теплообмена на макроструктуру отливок Текст. / А.И. Батышев, А.С.Любавин, В.И. Беспалько, Т.Я. Шрамко. М.: Литейное производство 1989. №3 - С. 5-6.

26. Батышев, А.И. Кристаллизация, металлов, и сплавов под давлением Текст. / А.И. Батышев. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия,1990. 144 е.: ил., табл. - ISBN 5-229-00330-8.

27. Тихомиров, М.Д. Определение давления в расплаве при литье с кристаллизацией под давлением Текст. / М.Д. Тихомиров. М.: Литейное производство, 1990. №5 - С. 18-19.

28. Кузнецов, В.П. Технологические особенности литья методом вакуумной формовки Текст. : материалы научно-практического семинара «Новые подходы к подготовке производства в современной литейной промышленности»/ В Л: Кузнецов. — СПб., 2004. С. 94-96.

29. Белоусов,Н.Н. Затвердевание отливок из цветных сплавов1 в условиях приложения давления Текст. : сб. Затвердевание металлов / Н.Н. Белоусов.-М., 1958.-С. 176-214.

30. Калюкин, Ю.Н. Высокоэффективная технология литья крупногабаритных лопаток ГТД Текст. / Ю.Н. Калюкин, Ю:К>. Мальцева, М.Д. Тихомиров, Д.Х. Сабиров. М.: Литейное производство, 2001, №11 - С. 7-9.

31. Галенко, П.К. Физика дендритов Текст. / П.К. Галенко, В.А. Журавлев. М.СОФТ - Москва, 1993. - 181 с.

32. Самойлович, Ю.А. Системный анализ,кристаллизации слитка Текст. / Ю.А.Самойлович. Киев, 1983. - 247 с.

33. Голод, В.М. Системный анализ процесса формирования отливки (прикладные аспекты) Текст. : сборник трудов ЦНИИМ, литейные материалы, технология, оборудование, выпуск I / В.М. Голод, М.Д. Тихомиров, Д.Х. Сабиров. СПб.: 1995. - С. 26-30.

34. Самойлович, Ю.А. Формирование слитка Текст. / Ю.А. Самойлович.- М.: Металлургия. 1977. 160 е.: ил.

35. Хетч, Ж.Е. Алюминий. Свойства и физическое металловедение: Справочник Текст. / под ред. Ж.Е. Хетча; пер. с англ. под ред. акад. И.Н. Фридляндера. М.: Металлургия, 1989. - 442 с.

36. Рубцов, Н:Н. Специальные виды литья Текст. / Н.Н. Рубцов. — М. Машгиз: 1983 г.-331 с.

37. Рубцов, Н.Н. История литейного производства в СССР'Текст. / Н.Н. Рубцов. ч. 1. - М.: Машгиз, 1969 г. - 286 с.

38. Коростелев, В.Ф: Исследования и разработка технологии литья стальных деталей с наложением давления на кристаллизующийся металл Текст. / В.Ф. Коростелев, Н.Н. Гришин, Н.М. Игнатенко // Передовой опыт. 1988, №7. С. 27-31.

39. Чистяков, В.В. Методы подобия и размерностей в литейной гидравлике Текст. / В.В. Чистяков. М.: Машиностроение, 1990: -224 с.

40. Белов, В:М. Литье под давлением стали Текст. / В.М. Белов; В.И.Маляров, Э.Н. Кабанов, Ю.А. Счесленюк // Тезисы IV Всесоюзного-научно-технического семинара по литью под давлением. г.Тирасполь, 9-10 декабря 1970 г. Mi, 1970. - С. 68-84.

41. Головченко, В.П. Литье- под давлением с гравитационной заливкой Текст. / В.П. Головченко, Л.К. Рабийчук, В'.К. Шпитко, Г.П. Борисов // Литейное производство. 1987, №3. — С. 31-32.

42. Степанов, Ю.А. Технология^ литейного производства Текст. / Ю.А. Степанов, Г.Ф. Баландин, В.А. Рыбкин. М.: Машиностроение, 1983 г. -287 е., ил.

43. Баландин, Г.Ф., Литье намораживанием Текст. / Г.Ф. Баландин. М.: Машгиз, 1962. -261 е., ил.

44. Сафронов, В.Я. Справочник по литейному оборудованию Текст. / В.Я. Сафронов. -М.: Машиностроение; 1985. 320 с., ил.

45. Красовский, Н.Н. Позиционные дифференциальные игры Текст. / Н.Н. Красовский, А.И. Субботин. М.: Наука, 1974. - 456 с.

46. Калман, Р.Е. Об общей теории систем управления Текст. : труды I Конгресса ИФАК / Р.Е.Калман. М.: Изд-во АН СССР. 1961. Т.2. - С. 521-548.

47. Кухтенко, А.И. Кибернетика и фундаментальные науки Текст. / А.И. Кухтенко. Киев: Наукова думка, 1987. - 142 с.

48. Понтрягин, Л.С. Математическая^ теория оптимальных процессов Текст. / Л.С. Понтрягин, В:Г. Болтянский,. Р.В. Гамкрелидзе, Е.Ф. Мищенко. М.: Физматгиз, 1961. - 392 с.

49. Беллман, Р. Динамическое программирование Текст. / Р. Беллман.5356,57,58,59,6061,62,63