автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система подготовки производства формообразования полиметаллических заготовок

На правах рукописи

Волков Денис Александрович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Набережные Челны - 2004

Работа выполнена в Камском государственном политехническом институте

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шибаков В.Г.

Офиииальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дмитриев С.В.

кандидат технических наук Панфилов Э.В.

Ведущая отанизаиия:

НТЦ ОАО «КАМАЗ»

Защита диссертации состоится 14 декабря 2004 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.309.01 в Камском государственном политехническом институте, по адресу: 423810, Республика Татарстан, г.Набережные Челны, пр. Мира,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Камского государственного политехнического института

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 423810, Республика Татарстан, г.Набережные Челны, пр. Мира, 68/19, диссертационный совет Д 212.309.01

68/19

Автореферат разослан 13 ноября 2004 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.309.01 кандидат технических наук, доцент

Симонова Л.А.

аоо?-*

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное промышленное производство осваивает и широко использует полиметаллические композиции, что обусловлено уникальностью свойств получаемых материалов. Обеспечение стабильности этих свойств, а также высоких экономических показателей требует применения в технологическом процессе автоматизированных систем управления (АСУ).

Одним из прогрессивных методов получения полиметаллических заготовок является процесс совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации металлов (СКПД).

Работами отечественных и зарубежных ученых создана научная и теоретическая база для успешной разработки автоматизированных технологических процессов, тем не менее, основные проблемы применения автоматизации для производства методом СКПД полиметаллических заготовок связаны с малой изученностью процессов и явлений, протекающих при реализации данной технологии. Качество получаемого при СКПД изделия определяется микроструктурой соединяемых металлов, ее однородностью. Микроструктура связана, в основном, с температурным режимом формообразования: так при повышении разности температур контактирующих материалов - фронт кристаллизации движется в направлении свободной поверхности, при снижении - кристаллизация происходит равномерно со всех сторон, что позволяет получить более качественные заготовки. Качество получаемого изделия зависит и от других технологических параметров процесса (давление и скорость инструмента, осуществляющих формообразование и подачу расплава на ленту). Таким образом, качество изделия имеет сложную зависимость от технологических параметров процесса, что вызывает необходимость управления процессом посредством поддержания этих параметров в требуемых пределах. Поэтому разработка автоматизированного производственного модуля

формообразования, позволяющего получать высококачественные полиметаллические изделия, системы управления, позволяющей поддерживать оптимальные значения технологических параметров процесса кристаллизации наносимого покрытия является актуальной проблемой.

Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности работы производственного модуля

рос илциотлм'-,

БИМШОТЕГЛ ' Ретерб^р!

формообразования полиметаллических заготовок в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации путем нахождения значений параметров, обеспечивающих требуемое качество заготовок и производительность модуля, и поддержания этих значений на заданном уровне системой автоматизированного управления.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научные задачи:

• Исследование закономерностей формообразования в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации.

• Построение математических моделей зависимости теплофизических и физических свойств материалов полиметаллической заготовки от ¡технологических параметров.

• Разработка технологических схем и технологической оснастки для создания производственного модуля формообразования (ПМФ) в условиях СКПД и АСУ для него.

• Разработка алгоритмов и программного обеспечения, обеспечивающих работу автоматизированной системы управления.

• Определение оптимальных технологических параметров процесса, обеспечивающих требуемое качество заготовок и производительность модуля.

Положения, выносимые на защиту и обладающие научной новизной:

• Зависимости между параметрами технологического процесса СКПД и структурой получаемого изделия, из которых следует превалирующее влияние температурных граничных условий на поверхностях

' кристаллизующегося материала, составляющего полиметаллическую заготовку, определяющих качество получаемого изделия при СКПД.

е Математические модели, устанавливающие взаимосвязь между теплофизическими свойствами кристаллизующегося материала полиметаллической заготовки и технологическими параметрами формообразования заготовок, позволяющие осуществить расчет температурного поля и уточнить значения коэффициента кристаллизации К для сплавов БрОЦС 5-5-5 и БрОФ 10-1, влияющего на определение основных технологических параметров процесса СКПД.

• Разработана методика расчета оптимальных значений параметров технологического процесса и соответствующие алгоритмы поддержки

параметров на этапе получения полиметаллических заготовок методом СКПД.

Практическая полезность работы:

• Предложен автоматизированный технологический процесс получения полиметаллических заготовок.

• Разработана структурная схема АСУ и конструкция автоматизированного производственного модуля для формообразования биметаллической ленты в условиях СКПД.

• Разработано программное обеспечение определения значений технологических параметров процесса, обеспечивающих требуемое качество заготовок и производительность модуля.

• Разработан и испытан опытный образец автоматизированной системы управления ПМФ СКПД.

Методы исследований. При разработке теоретических аспектов для определения основных технологических параметров процесса совместной кристаллизации и пластической деформации были использованы положения теплофизики, гидродинамики, математического анализа; метод конечно-разностных уравнений для решения задач математического моделирования, методы оптимизации, методы- планирования эксперимента, методы статистического анализа.

Реализация результатов. Разработанная автоматизированная система управления технологическим процессом формообразования полиметаллической заготовки в условиях СКПД использована для производства опытной партии биметаллической ленты «сталь 08кп-бронза БрОЦС 5-5-5». Созданные АСУ и программный комплекс • используются в учебном процессе в КамПИ на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением».

Апробация работы. Основные положения и результаты, полученные в работе, опубликованы в 11 печатных работах, доложены и обсуждены на международных научных и научно-практических конференциях: «Проблемы выживания и экологические механизмы хозяйствования в регионе Прикамья» (Набережные Челны, КамПИ 2002 г.); «Зимняя школа по механике сплошных сред (тринадцатая). Школа молодых ученых по механике сплошных сред» (Екатеринбург, УРО РАН, 2003 г.); «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза, 2003 г.); «Двенадцатая международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным

программным системам» (Москва, МАИ, 2003 г.); «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства» (Волгоград, ВолгГТУ, 2003 г.); «Advanced problems in thermal convection» (Пермь, ПГУ, 2003 г.);

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы; включающего 117 наименований, 2 приложений, содержащих результаты расчетов и листинг программы. Работа изложена на 198 страницах машинописного текста, в том числе приложений на 80 страницах, содержит 33 рисунка и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении освещена актуальность темы, рассмотрено состояние вопроса, сформулированы цели и основные задачи диссертационной работы, показана научная новизна и практическая ценность диссертации.

В первой главе проводится краткий обзор существующих систем автоматического регулирования, принципов управления, исследованы возможности создания автоматизированного технологического процесса формообразования полиметаллических заготовок методом СКПД. Показана целесообразность разработки АСУ производственным модулем для формообразования, а также необходимость разработки технологического процесса для получения конструкционных и технологических материалов машиностроительных заготовок методом СКПД. Приводится краткий обзор существующих способов изготовления многослойных изделий. Следует отметить, что систематического исследования этого перспективного метода для получения машиностроительных заготовок автоматизированным способом не проводилось. Характерной особенностью в автоматизации прокатного производства является применение локальных систем автоматического регулирования, которые не имеют общего центра управления, т.е. работают по жестким программам, а дальнейшее совершенствование автоматизации получения заготовок непрерывной разливкой связано с применением вычислительной машины, с помощью которой можно поддерживать оптимальные условия работы установки в течение всего цикла технологического процесса. Исследуемый процесс СКПД является синтезом указанных технологий. Выявлено, что пока не создано

систем автоматического управления производственным модулем для процесса совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации.

Во второй главе охарактеризованы основные отличительные признаки процесса СКПД и оценена возможность реализации его на автоматизированном производственном модуле. Показано, что это новый метод формообразования металла, при котором в полиметаллической заготовке одновременно осуществляются два физически различных процесса: пластическая деформация закристаллизовавшейся части металла, как правило, с уплотнением структуры и измельчением зерен, и кристаллизация жидкой фазы, перераспределяемой в меж- и внутридендритном пространстве под действием механического давления. Кроме этого, на контакте разнородных металлов полиметаллической заготовки протекают процессы смачивания расплавом твердой поверхности, развитие адгезионного взаимодействия, относительное смещение затвердевшей фазы по поверхности твердого элемента. Произведена оценка целесообразности применения рассматриваемого метода при изготовлении полиметаллических изделий по комплексному критерию привлекательности технологического процесса. Разработаны технологические схемы процесса с учетом его автоматизации и технологическая оснастка производственного модуля формообразования полиметаллической заготовки при совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации. Осуществлено математическое планирование эксперимента по определению производительности процесса в зависимости от технологических параметров процесса и состава исследуемых сплавов.

Третья глава посвящена разработке математической модели процесса кристаллизации наносимого покрытия, необходимой для разработки алгоритмов управления производственным модулем, с целью получения качественных полиметаллических заготовок. Для решения задачи о внутреннем теплообмене, использовалось дифференциальное уравнение теплопроводности с учетом выделения теплоты кристаллизации, имеющее вид:

рс— - /Цу(Л§гас1Т)+рЬ— (!)

где р - массовая плотность вещества; с — удельная теплоемкость^ -коэффициент теплопроводности; ё - объемная доля твердой фазы в контрольном элементе двухфазной зоны.

Параметр § в общем случае определяется кинетикой роста кристаллов у

фронта кристаллизации. Однако можно предположить, что переохлаждение расплава у фронта кристаллизации невелико и доля твердой фазы полностью определяется равновесной диаграммой состояния изучаемых сплавов БрОЦС 5-5-5 и БрОФ 10-1.

Преобразуя соотношение (1) получим:

. дТ ' Ы

а2г д2т +

ду

Введем эффективную удельную теплоемкость:

сж(Т) при т>т,ш\

СЭф(Т) =

¿к

ссол ~ "Ри тсол < Т < т.чик> ств(Т) при Т < ТСол-

Теплоемкость определена по правилу аддитивности:

100

(2)

(3)

(4)

где с/, с2 - теплоемкости олова, меди при определении теплоемкости фазы, либо теплоемкости фазы при определении теплоемкости сплава; %1, %2 - процентное содержание олова и меди в фазе, либо процентное содержание самих фаз в сплаве.

По справочным данным получаем функции с=/(Т), аппроксимирующие теплоемкости меди и олова. Чтобы учесть влияние меди и олова при различных температурах сплава введем коэффициент Кзл, определяющий температуры соответствия свойств между температурой сплава и температурой отдельного элемента, как в жидком, так и в твердом состоянии (табл.1):

Таблица 1 - Температуры соответствия свойств

Состояние Сплав Функция

БрОЦС 5-5-5 Тг„=((Тт-И30Жг„)+1357 (5)

Жидкое Тяп=((Тгппяпя-1130)/Л,5„)+50б (6)

БрОФ 10-1 Тг„=((Т,„„япя-1064)//Сг„)+1357 0)

Тк„=((ТСШ1П„а-1064Ж!;п)+506 (8)

Твердое Оба сплава Тс„ яп^гТСШ1П„а-298)/А'г,| яп)+298 (9)

По найденным значениям температур (формулы 5-9), используя функции с=/(7), определяем теплоемкости меди и олова. По формуле (4) определяем теплоемкости фаз, и, используя значения g, определяем теплоемкость сплава. Полученные результаты аппроксимированы следующими функциями:

с(Т,К) =

БрОЦС 5-5-5 БрОФ 10-1

901п(Г)—174 1323аГй113^375

801п(Г)-103 И29Ы>569 , яч ,„

ПО} с(Г,Л) = 351п(Г)+181 569 ^ 7" й 298 К )

(91,891п(Г)-13,945)адш 12792Г21063

(21п(Г) + !0)1" 1063 >7"й793 (21г.(Г) + 9,97)"' 793 > 7" > 502

(!п(Г) + 16.23)1" 502йГЬ298

(И)

Для определения зависимости теплопроводности сплавов от температуры использовались справочные данные теплопроводности при комнатной температуре для БрОЦС 5-5-5: А.=93,79 Вт/м*К. Проанализировав значения теплопроводности для сплавов БрОЦ 4-3, БрОЦ 8-4, БрОЦС 4-4-2,5, предположили, что содержание цинка и свинца существенно не влияют на теплопроводность. Содержание 1% Бп приводит к снижению А. на 4 единицы. Оценочно для сплава БрОЦС 5-5-5 получаем Л=80 Вт/м*К - для сплава полученного литьем в песчаные формы. Величина расхождения: 93,79 - 80 = 13,79. За основу взято изменение X от температуры Т сплава БрОЦ 4-3, производим коррекцию по содержанию олова и на величину расхождения. Полученные значения аппроксимированы функцией:

Д(Г,Л:) = (68>891п(7')-170)о>915 -20 . (12)

Для сплава БрОФ 10-1, используя справочные значения . теплопроводности сплава для различных способов разливки, имеем:

Я(Т,К) = (351п(Г)-140)0'86 +15,345. (13)

Плотность определена по правилу аддитивности:

(14)

и юо .....

где р\, рг - плотность первого и второго компонентов фазы, либо плотности фаз при определении плотности сплава;

%1, %2 ~ процентное содержание олова и меди в фазе, либо процентное содержание самих фаз в сплаве.

Из диаграммы состояния сплавов Си-8п видно, что до температуры солидуса можно считать, что плотность БрОЦС 5-5-5 изменяется незначительно. В интервале температур Тсоп-Тлик плотность определяем по формуле (14) отдельно для а-фазы и жидкости. Используя значения g, определяем плотность сплава.

Сплав БрОФ 10-1 не претерпевает изменения до температуры фазового перехода, где происходит образование |3-фазы из а и 5 фаз. Содержание олова в а-фазе с повышением температуры не меняется, а в Р-фазе - уменьшается.

Увеличение растворимости олова в меди приводит к незначительному увеличению плотности с повышением температуры. Плотность сплава в интервале температур Тсол-Тлик определяли отдельно для сс-фазы и жидкости. Используя значения g, определяем плотность сплава в этом интервале температур. Плотность на участке диаграммы с а+(3 фазами определяли отдельно для каждой фазы и, учитывая процентное содержание каждой из фаз, определяем плотность по формуле (14). Рассчитанное значение плотности незначительно больше справочной величины при комнатной температуре, что вероятнее всего связано с наличием фосфора.

Полученные результаты аппроксимируем функциями:

' (-501п(Г) + 457),я 1050й 7" > 1009

[(-121п(Г) +190,9)1®2 + 527,611 1009> Г 2 859,375

(-301п(Г)+314,96)|,м • (-101п(Г) + 178)'-и (-0,311п(Г) + 109,92)|,м

БрОЦС 5-5-5 р(Г,С) = \

БрОФ 10-1 р{Т,С) =

1006 £ Г £ 946,875 946,875 > Т 2:790 790 > Г £ 520

(15)

(16)

Вследствие зависимости с, А, рот температуры по условиям (10-13, 15, 16), уравнение (2) становиться нелинейным. Трудности решения преодолеваются за счет использования численного метода его решения -метода конечных разностей.

¿,к-1,п

¡.к+и№>к

¡,к,п+1

Рис. 1. Схема разбиения объема покрытия по узлам Произведя замену частных производных в уравнении (2) отношениями конечных разностей, перепишем относительно неизвестного узла (г, к, п+1):

Т.,

ЦТ) д<

с^Т)р(Т)

Ах2

М^^/.пЛ- + "^Цс- 1.л

Ду2

где А( - шаг по времени. Выбирается из условия сходимости решения. Для

двумерного случая Д/ ^ — 2

ДдГ х Ду

Дх" + Ду

Граничные условия: 1) на поверхности контакта сразу после

соприкосновения устанавливается температура:

Т =Г +

«ОТЧАЛ ЧСНТ

Нт -т )

% аокг лезгт '

1 +н>

где у/ - коэффициент, характеризующий тепловую активность покрытия по

отношению к материалу подложки; _ п-^^лм- ; 2) на поверхностях

покрытия и окружающей среды происходит процесс конвективного теплообмена, который описывается:

(19)

дп)

Р(Т -Г ),

' {¡окр с

где Тс- температура среды; /?- коэффициент пропорциональности.

Предложен алгоритм оценки качества (рис. 2) на основе имитационного моделирования получаемого покрытия (средний размер зерен должен соответствовать условиям эксплуатации с!ср«с1эксп, однородность (с)тах-4п1п)-шт), основные шаги которого: 1) решение уравнения нестационарной теплопроводности МКР; 2) определение скорости кристаллизации покрытия; 3) обращение к базе данных для определения размеров получаемых зерен в зависимости от скорости кристаллизации с1=/(Укр). В результате анализа получаемых имитационным моделированием температурных полей уточнены значения коэффициента кристаллизации К для сплавов БрОЦС 5-5-5 и БрОФ 10-1, необходимого для расчетов технологических параметров процесса СКПД.

©

АО'-'-,! ЗР?-

? иелссостх ст скйъси

ТЛАРЯЗЛим \

*АчгС?8А ОЪ/КГуРу

I ис. 2. Алгоритм оценки качества получаемого покрытия

Четвертая глава "посвящена разработке ПМ для формообразования полиметаллической заготовки, в частности, биметаллической ленты в условиях СКПД, разработке АСУ для этого ПМ. Работа ПМ осуществляется по схеме, приведенной на рис. 3.

Рис. 3. Схема взаимодействия оператора с ПМФ

Проведен 3-х факторный вычислительный эксперимент, в котором реализуются все возможные комбинации рассматриваемых уровней факторов, каждый из которых варьируется на двух уровнях (табл. 2).

Таблица 2 - Кодированные и именованные значения входных факторов

Фактор Уровень Значение

Температура среды -1 300 К

+1 500 К

Температура ленты -1 300 К

+1 740 К

Содержание олова -1 5%

+1 10%

В результате обработки экспериментальных данных определена зависимость времени процесса кристаллизации наносимого покрытия (20): ^роц(Тс,ТЛС1П.,%8п)=(0,0386)+(2,5*Е-б)*(Тс-400)+(0,024)*(Тпе1ГГ-520)/(220)+ +(0,0078)*(%8п-7,5У(2,5)+(2,5*Е-б)*(Тс-400)*(Тпе|„.-520)/(220)+ (20)

+(0,0028)*(ТЛС1„-520)/(220)*(%8п-7,5)/(2,5)

Структурная схема управления производственным модулем представлена на рис. 4. Разработана принципиальная схема системы автоматизированного управления (рис. 5). .;

Устанобка

Валки

Кристаллизатор 1

Óa/код

Лента РасплаД Пуансон

Злектродби-гатель насоса

Í Г 1

Нагребате/ь ленты

расплода

Pz3

пуансона

Г

Контроллер

Ввод

1

МП блок упрабления

и ,1

-Индексация уробня расплаба - Индексация положения валкод i'степень деформации.i -Индексация отбодимого тепла и толщины корки -Индексация температуры расплаба и ленты -Скорость ленты

Блок визуализации

1

Датчик температуры расплаба

Даггник отбодимого тепла б кристаллизаторе

Латник положения балкоб

Датчик температуры ленты

Датчик положения

пуансона

Датчики

Рис. 4. Структурная схема АСУ для ПМФ

управление приводами и температурой нсгреео росплово, температурой пояогрега ленть: я степеиьч охлаждения в «ристоллиэоторе

сигналы управлявшего воздействия

ионтвой/^Р

по/юхение пуонсочоА ¡омов; текпеРО'УРа] чогрево росплово, пологое&о лент \ степень охлаждения в квис'оллис'огаре У

павоиетоц состояния системы

Рис. 5. Автоматизированная система управления формообразованием при СКПД: 1-лента; 2-раздаточное устройство; 3-расплав; 4-кристашшзатор; 5-вапки; б-вставка; 7 - нагреватели

Разработаны алгоритм проектирования (рис. б, а) и алгоритм управления технологического процесса (рис. б, б)

' зесд дс—ах /

ССС'С'С '

"е^перс-"урного / /

'1аде/ире&он^е ) "е-'ооб^е-'о

| Ь «о^споа.-ьЮторе

| уг-сччение значение К I - определение I Зреуе*-* "рсчессо

/ В&ос ооннох 7

/ для определении / / паромегпроб /

1_процесс о /

П

_I_

_Определение Ул |

Определение рп

Определение :

Определение Оот&

I I

Определение С$ I

/-

>-СС

'V

ссйсс ("одс-с С, / -ьего о&сгопой 1),/

/ *?исто! /ьзаъоэс, / /¡о*С" 9/

/'/ОчСОнО р г !(->) /

-

а) б)

Рис. 6. Алгоритмы: а) проектирования процесса; б) управления процессом

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выявлены закономерности процесса формообразования при совместно протекающей кристаллизации и пластической деформации, заключающиеся в том, что с увеличением разности температур контактирующих тел движение фронта кристаллизации происходит в направлении свободной поверхности и, наоборот, при снижении -кристаллизация происходит равномерно со всех сторон.

2. Получены зависимости между параметрами технологического процесса формообразования и структурой получаемой заготовки.

3. Установлено превалирующее влияние температурных граничных условий на поверхностях кристаллизующегося материала, составляющего полиметаллическую заготовку, определяющих качество получаемого изделия при совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации.

4. Составлены математические модели, устанавливающие взаимосвязь между физическими и теплофизическими свойствами кристаллизующегося материала полиметаллической заготовки и технологическими параметрами процесса, необходимые для расчета температурного поля и разработки алгоритмов проектирования для управления формообразованием в производственном модуле.

5. Уточнены значения коэффициента кристаллизации К для сплавов БрОЦС 5-5-5 и БрОФ 10-1, влияющего на определение основных параметров технологического процесса.

6. Разработана конструкция автоматизированного производственного модуля для формообразования биметаллической ленты в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации.

7. Разработан способ управления режимами формообразования полиметаллических заготовок при совместной кристаллизации и пластической деформации на основе расчета оптимальных параметров технологического процесса.

8. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение определения значений технологических параметров процесса, обеспечивающих требуемое качество заготовок и производительность модуля.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Шибаков В.Г., Панкратов Д.Л., Волков Д.А. Технология получения биметаллов в процессе кристаллизации плакирующего слоя // Проблемы выживания и экологические механизмы хозяйствования в регионе Прикамья: Материалы симпозиума. - Наб.Челны: Изд-во КамПИ, 2002. С.59-60.

2. Шибаков В.Г., Волков Д.А., Жигулев И.О. Неоднородные конструкционные материалы. Перспективы и возможности // Проектирование и исследование технических систем: Межвузовский научный сборник. Вып. 2. / Под ред. доктора техн. наук проф. А.Х. Хайруллина - Набережные Челны: Изд-во Камского гос. политехи, ин-та, 2002. С.91-93.

3. Шибаков В.Г., Жигулев И.О., Волков Д.А. Методика исследования условий возникновения адгезионных связей при формообразовании неоднородных конструкций // Проектирование и исследование технических систем: Межвузовский научный сборник. Вып. 2. / Под ред. доктора техн. наук проф. А.Х. Хайруллина - Набережные Челны: Изд-во Камского гос. политехи, ин-та, 2002. С.103-107.

4. Волков Д.А., Жигулев И.О., Шибаков В.Г. Исследование влияния накопленной деформации на качество неоднородной конструкции // Зимняя школа по механике сплошных сред (тринадцатая) Школа молодых ученых по механике сплошных сред Тезисы докладов. Екатеринбург: УРО РАН, 2003. С.86.

5. Волков Д.А., Шибаков В.Г. Управление формообразованием в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации // Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков: Сборник статей VIII международной научно-технической конференции. В 2-ч. Часть 1. - Пенза, 2003. С.156-159.

6. Волков Д.А. Оптимизация управляющих параметров формообразования в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации // Тезисы докладов Двенадцатой Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Владимир, 30 июня-5 июля 2003 г. - М.: Изд-во МАИ, 2003. В 2 т. С. 162-164.

7. Волков Д.А., Шибаков В.Г. Оптимизация управляющих параметров формообразования неоднородной конструкции в условиях совместно

, протекающих кристаллизации и пластической деформации // Актуальные

машиностроительного производства: Материалы международной конференции. В 2-х ч. Часть 1. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2003. с.207-210

8. Shibakov V.G., Volkov D.A. Numerical calculation of temperature fields under together running crystallization and plastic deformation // International Conference "Advanced problems in thermal convection": Abstracts. Perm, Russia, November 2003. p. 225-226

9. Шибаков В.Г., Волков Д.А., Жигулев И.О. Исследование влияния , управляющих параметров на качество неоднородной конструкции,

формообразуемой в условиях совместно протекающей кристаллизации и пластической деформации // Онлайновый научно-технический журнал ¡¡¿Информационные социально-экономические аспекты создания современных технологий». - 2003. -№2(12). - С.15-21.

10. Шибаков В.Г., Жигулев И.О, Волков Д. А. Изготовление биметаллической ленты в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации // Кузнечно-штамповочное производство. ОМД. -Москва, 2004. - №10. - С. 12-15

11. Шибаков В.Г., Жигулев И.О., Волков Д.А., Шибакова Т.В. Выбор основных параметров и укрупненная оценка технико-экономической эффективности перспективных технологических процессов штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. ОМД. - Москва, 2004. - №10. - С. 16-

пробпемы

конструкторско-технологического

обеспечения

Волков Денис Александрович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЛР№ 020342 от 7.02.1997 г. ЛР№ 0137 от 2.10.1998 г. Подписано в печать 12.11.04 Формат 60x841/16 Бумага писчая Печать ризографическая. Гарнитура книжно-журнальная. Уч.-изд.л.1,1 Усл.-печ.л 1,1 Тираж 100 экз.

Заказ 419

Издательско-полиграфический центр Камского политехнического института. 423810 г.Набережные Челны, пр.Мира, 13

РЫБ Русский фонд

2007-4

/'а. ' С*

■с)

19 НОИ 2004 1 8

Введение.

Глава 1 Проблемы автоматизации технологических процессов получения композиционных материалов и неоднородных конструкций методами обработки давлением.

1.1 Композиционные материалы и способы их изготовления.

1.1.1 Металлические композиционные материалы.

1.1.2 Классификация способов изготовления многослойных изделий.

1.2 Автоматизация технологий, составляющих процесс СКПД.

1.3 Цели и задачи работы.

Глава 2 Разработка автоматизированных процессов формообразования в процессе СКПД и выбор метода исследования.

2.1 Анализ вариантов формообразования и возможность построения автоматизированного технологического процесса.

2.2 Разработка технологических схем формообразования при совместно протекающей кристаллизации и пластической деформации.

2.3 Разработка конструкций технологической оснастки для ПМФ в условиях СКПД с учетом автоматизации.

2.4 Построение плана эксперимента.

2.5 Выводы по 2 главе.

Глава 3 Построение математической модели процесса затвердевания наносимого покрытия при СКПД.

3.1 Основные характеристики процесса СКПД.

3.2 Исследование процесса кристаллизации наносимого покрытия при СКПД.

3.3 Математическое моделирование процесса затвердевания покрытия при СКПД.

3.4 Математическая формулировка задачи нестационарной теплопроводности.

3.5 Разработка алгоритма оценки качества (структура, однородность) покрытия при СКПД.

3.6 Выводы по 3 главе.

Глава 4 Разработка производственного модуля формообразования методом СКПД и автоматизированной системы управления.

4.1 Разработка производственного модуля для совместной кристаллизации и пластической деформации.

4.2 Проектирование и требования при построении автоматизированной системы управления формообразованием при СКПД.

4.3 Параметры автоматизированного технологического процесса.

4.4 Разработка алгоритмов для АСУ формообразования при СКПД.

4.5 Составление плана эксперимента и обработка результатов.

4.6 Выводы по 4 главе.

Современное промышленное производство осваивает и широко использует полиметаллические композиции, что обусловлено уникальностью свойств получаемых материалов. Обеспечение стабильности этих свойств, а также высоких экономических показателей требует применения в технологическом процессе автоматизированных систем управления.

Автоматизированные системы управления, базирующиеся на современных научных достижениях в области технической кибернетики, применении экономико-математических методов, широком использовании средств вычислительной техники, являются мощным средством повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции, значительной экономии материальных, энергетических и трудовых ресурсов.

Развитие систем автоматизации литейного и кузнечно-штамповочного производства, являющихся родительскими технологиями процесса СКПД, от простейших локальных систем автоматического контроля и регулирования до совершенных автоматизированных систем управления на основе электронных вычислительных машин является одним из наиболее действенных средств мобилизации резервов и дальнейшего повышения технико-экономических показателей процессов производства полиметаллических заготовок.

С увеличением таких факторов, как рост единичных мощностей агрегатов, усложнение технологических процессов, повышение скорости работы оборудования растет сложность управления технологическими процессами, насыщенность их средствами автоматики, что ведет к необходимости создания автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП).

Полиметаллические изделия являются особым видом композиционных материалов, состоящие из армирующего элемента, воспринимающего внешнее воздействие, и матричного сплава, передающей упрочнителям нагрузку. В отличие от обычных композитов, в объеме которых упрочняющая фаза распределена периодично и равномерно, в полиметаллических заготовках армирующий элемент, как правило, расположен локально, воспринимая внешние нагрузки какой-либо природы. И в зависимости от того, какие нагрузки должен воспринимать армирующий элемент, его изготавливают из материалов с соответствующими свойствами: износостойкость, термостойкость, твердость, прочность и т. д.

Одним из прогрессивных методов получения полиметаллических заготовок является процесс совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации металлов. Комбинирование основных технологий изготовления деталей - литья и обработки давлением совмещает преимущества родительских технологий в ассортименте изготавливаемых изделий. Это позволяет значительно улучшить технологические свойства заготовки и эксплуатационные характеристики продукции.

Технология, совмещающая литье и обработку давлением появилась в середине 30-х годов в России. Наиболее значимые работы в этой области выполнены Пляцким В.М., Липчиным Т.Н., Батышевым А.И., Беспалько В.И., Баландиным Г.Ф., Любавиным A.C., Белоусовым И.Я., Гейко И.В., Тимофеевым Г.И., и др. Процесс штамповки металла в кристаллизующемся состоянии в разные периоды развития и различными исследователями назывался по-разному: жидкая штамповка, штамповка жидкого металла (ШЖМ), прессование при кристаллизации, кристаллизация под поршневым давлением, прессование из расплава, литье с кристаллизацией под давлением (ЛКД) и т.п.

В работе разработан способ формообразования полиметаллических заготовок в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации, далее СКПД; показаны его существенные отличительные признаки от других формообразующих методов металлообработки. Название разработанного способа СКПД, полно и строго отображает сущность происходящих процессов, а потому более удачно, чем упомянутые выше названия способов формообразования металлов в твердожидком состоянии. Предложенное название содержит информацию о том, что имеют место процессы затвердевания расплава и механическая деформация закристаллизовавшегося металла, причем, оба процесса протекают одновременно, что имеет место при штамповке в реальных условиях.

Изготовление полиметаллических заготовок в условиях СКПД имеет ряд преимуществ перед традиционными процессами изготовления композиционных материалов. Это возможность изготовления полиметаллических изделий с практически любым расположением и объемной долей армирующего элемента, малые нагрузки на него, плотность структуры закристаллизовавшегося под давлением расплава, высокое качество поверхности, плотный контакт материалов армирующего и матричного элементов по всей поверхности.

Качество получаемого при СКПД изделия определяется микроструктурой соединяемых металлов, ее однородностью. Микроструктура связана, в основном, с температурным режимом формообразования: так при повышении разности температур контактирующих материалов - фронт кристаллизации движется в направлении свободной поверхности, при снижении - кристаллизация происходит равномерно со всех сторон, что позволяет получить более качественные заготовки. Качество получаемого изделия зависит и от других технологических параметров процесса (давление и скорость оборудования, осуществляющих формообразование и подачу расплава на ленту). Таким образом, качество изделия имеет сложную зависимость от технологических параметров процесса, что вызывает необходимость управления процессом посредством поддержания этих параметров в требуемых пределах. Поэтому разработка автоматизированного производственного модуля формообразования, позволяющего получать высококачественные полиметаллические изделия, системы управления, позволяющей поддерживать оптимальные значения технологических параметров с помощью математической модели процесса кристаллизации наносимого покрытия является актуальной проблемой.

В работе были поставлены и решены следующие задачи:

• Исследование закономерностей формообразования в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации.

• Построение математических моделей зависимости теплофизических и физических свойств материалов полиметаллической заготовки от технологических параметров.

• Разработка технологических схем и технологической оснастки для создания производственного модуля формообразования (ПМФ) в условиях СКПД и АСУ для него.

• Разработка алгоритмов и программного обеспечения, обеспечивающих работу автоматизированной системы управления.

• Определение оптимальных технологических параметров процесса, обеспечивающих требуемое качество заготовок и производительность модуля.

Содержание работы по главам.

В первой главе проводится краткий обзор существующих систем автоматического регулирования, принципов управления, исследованы возможности создания автоматизированного технологического процесса формообразования полиметаллической заготовки методом СКПД. Показана целесообразность разработки АСУ производственным модулем для формообразования, а также необходимость разработки технологического процесса для получения конструкционных и технологических материалов машиностроительных заготовок методом СКПД.

Во второй главе охарактеризованы основные отличительные признаки процесса СКПД и оценена возможность реализации его на автоматизированном производственном модуле. Показано, что это новый метод формообразования металла, при котором в полиметаллической заготовке одновременно осуществляются два физически различных процесса: пластическая деформация закристаллизовавшейся части металла, как правило, с уплотнением структуры и измельчением зерен, и кристаллизация жидкой фазы, перераспределяемой в меж- и внутридендритном пространстве под действием механического давления. Кроме этого, на контакте разнородных металлов полиметаллической заготовки протекают процессы смачивания расплавом твердой поверхности, развитие адгезионного взаимодействия, относительное смещение затвердевшей фазы по поверхности твердого элемента. Произведена оценка целесообразности применения рассматриваемого метода при изготовлении полиметаллических изделий по комплексному критерию привлекательности технологического процесса. Разработаны технологические схемы процесса с учетом его автоматизации и технологическая оснастка производственного модуля формообразования полиметаллической заготовки при совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации. Осуществлено математическое планирование эксперимента по определению производительности процесса в зависимости от технологических параметров процесса и состава исследуемых сплавов.

Третья глава посвящена разработке математической модели процесса кристаллизации наносимого покрытия, необходимой для разработки алгоритмов управления производственным модулем, с целью получения качественных полиметаллических заготовок. Предложен алгоритм оценки качества на основе имитационного моделирования получаемых параметров покрытия.

В четвертой главе рассмотрены основные элементы разработанного ПМФ СКПД, а также принципы построения и требования для АСУ. Описана работа микропрограммы, управляющей АСУ ТП, описаны прикладные программы, предназначенные для моделирования формообразования при СКПД. В результате обработки результатов проведенного численного эксперимента определена зависимость времени процесса кристаллизации наносимого покрытия от технологических параметров и состава материала покрытия.

В результате решения поставленных задач в работе были получены новые научные результаты, которые выносятся на защиту:

• Математические модели, устанавливающие взаимосвязь между теплофизическими свойствами кристаллизующегося материала полиметаллической заготовки и технологическими параметрами формообразования заготовок, позволяющие осуществить расчет температурного поля и уточнить значения коэффициента кристаллизации К для сплавов БрОЦС 5-5-5 и БрОФ 10-1, влияющего на определение основных технологических параметров процесса совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации.

• Зависимости между параметрами технологического процесса получения полиметаллических заготовок и структурой получаемого изделия, из которых следует превалирующее влияние температурных граничных условий на поверхностях кристаллизующегося материала, составляющего полиметаллическую заготовку, позволяющие оценить качество заготовки получаемой в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации.

• Методика расчета параметров процесса формообразования полиметаллических заготовок, которая в отличие от ранее известных состоит в том, что учитывает влияние технологических параметров на свойства кристаллизующегося материала и получаемую структуру, тем самым позволяет рассчитывать и оптимизировать параметры технологического процесса формообразования полиметаллических заготовок в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации.

Практическая полезность работы:

• Предложен автоматизированный технологический процесс получения полиметаллических заготовок.

• Разработана структурная схема АСУ и конструкция автоматизированного производственного модуля для формообразования биметаллической ленты в условиях СКПД.

• Разработано программное обеспечение определения значений технологических параметров процесса, обеспечивающих требуемое качество заготовок и производительность модуля.

• Разработан и испытан опытный образец автоматизированной системы управления ПМФ СКПД.

Методы исследования. При разработке теоретических аспектов для определения основных технологических параметров процесса совместной кристаллизации и пластической деформации были использованы положения теплофизики, гидродинамики, математического анализа; метод конечно-разностных уравнений для решения задач математического моделирования, методы оптимизации, методы планирования эксперимента, методы статистического анализа.

2.5 Выводы по 2 главе

1. Разработаны технологические схемы процесса формообразования в условиях совместно протекающей кристаллизации и пластической деформации, позволяющие реализовать производство полиметаллической заготовки, в частности, биметаллической ленты способом непрерывного нанесения металлопокрытия на листовой металл.

2. Анализ разработанных технологических схем СКПД показал, что самой эффективной по технологическим возможностям и пригодной для автоматизации является модель, по которой полосу листового материала подают в вертикальном направлении сверху вниз вдоль раздаточного устройства.

3. Технологическую оснастку целесообразно проектировать для схемы указанной в п.2.

4. Предложена технологическая оснастка для ПМФ СКПД в условиях автоматизированного производства.

5. Спланирован трехфакторный эксперимент с вариацией факторов на двух уровнях.

Глава 3 Построение математической модели процесса затвердевания наносимого покрытия при СКПД

3.1 Основные характеристики процесса СКПД

Процесс совместной кристаллизации и пластической деформации - один из наиболее прогрессивных технологических процессов. К преимуществам этого процесса можно отнести: а) совмещение непрерывного литья и прокатки в единой технологической линии; б) возможность механизации и автоматизации процесса и существенное улучшение условий труда на разливочной площадке; в) достижение однородности кристаллического строения и технологических свойств литого покрытия вдоль оси ленты.

К основным показателям режима СКПД относятся скорость литья (скорость вытягивания ленты), температура разливаемого металла и интенсивность вторичного охлаждения.

Скорость вытягивания ленты - основной параметр, определяющий не только производительность агрегата, но и качество ленты.

В современном плавильном цехе, где применяется разливка методом «плавки на плавку», скорость литья должна быть согласована с ритмом выдачи плавок из плавильного агрегата. Если во - вместимость плавильного агрегата; N - число ручьев установки; ^ - цикл разливки, то производительность одного ручья где т=0,9 - коэффициент, учитывающий снижение скорости литья в начале и конце разливки, временное замедление процесса литья при смене разливочных стаканов и перековшовку. С другой стороны,

3.2) гдер - плотность жидкой бронзы;

3.1)

V, - скорость литья (вытягивания) ленты; площадь поперечного сечения ленты. Приравнивая правые части соотношений (3.1) и (3.2), выразим скорость литья через массу плавки, цикл разливки и площадь поперечного сечения:

О, V О/

3.3) рт(0№).

Например, при получении биметаллической ленты при совместной кристаллизации и пластической деформации сечением 36,96* 10"6 м2 при р« 8000 кг/м' производительность одного ручья 0Р=8000*36,96*10 *у7 = 0,296ул; в частности, если вместимость плавильного агрегата 25 кг, цикл разливки плавки 120 мин, то требуемая скорость литья

V, =-^-= 0,78 м/мин.

0,296 0,296 * 0.9 * 1*120

Одной из важнейших задач процесса СКПД является повышение скорости разливки до максимально возможного значения, при котором, тем не менее гарантируется определенный уровень качества наносимого покрытия. Однако чрезмерное повышение скорости вытягивания полосы может сопровождаться случаями аварийного прорыва жидкой бронзы через твердую оболочку; чаще всего подобные прорывы происходят под кристаллизатором, в начале зоны вторичного охлаждения. Для предотвращения этого необходимо детальное изучение условий затвердевания и охлаждения наносимого покрытия, как в кристаллизаторе, так и в зоне вторичного охлаждения.

Важным технологическим параметром, влияющим на качество наносимого покрытия и стабильность процесса СКПД, является температура жидкой бронзы при разливке, фиксируемая в разливочном ковше или в промежуточной емкости. Температура металла, поступающего в кристаллизатор, должна быть на 15-20 К выше температуры ликвидуса для данной марки бронзы.

Изменение температуры жидкой бронзы на пути от плавильного агрегата до кристаллизатора зависит от большого числа факторов, в частности от температуры расплава перед выпуском из печи (или конвертера), продолжительности выпуска и выдержки металла в ковше, состояния футеровки ковша, его вместимости, толщины

53 слоя шлака на поверхности металла в ковше и др. Существует ряд способов управления температурой жидкой бронзы в разливочном ковше - продувка металла аргоном, добавление металлической сечки и даже временное (на несколько минут) погружение в ковш с жидкой бронзой массивного стального сляба.

Режим вторичного охлаждения неоднородной конструкции получаемой процессом СКПД может быть охарактеризован показателями требуемого режима охлаждения наносимого покрытия:

- толщина твердой оболочки покрытия на выходе из кристаллизатора;

- изменение температуры поверхности покрытия вдоль всей технологической оси.

При выборе показателей требуемого режима литья (иногда его называют рациональным) исходят из следующих соображений:

1) толщина твердой корки покрытия скр на выходе из кристаллизатора должна быть не меньше епр, т.е. екр > епр .

2) неравномерность толщины твердой корки по периметру наносимого покрытия на выходе из кристаллизатора должна быть минимальной;

3) изменение температуры поверхности покрытия в зоне вторичного охлаждения должно быть по возможности монотонным вдоль оси и по его периметру, без резких скачков;

Выполнение условий рационального режима формирования покрытия неоднородной конструкции требует согласования скорости вытягивания слитка высоты кристаллизатора И, интенсивности вторичного охлаждения слитка и скорости его затвердевания на различных горизонтах. Таким образом, для обеспечения рационального режима формирования неоднородной конструкции необходимо определить поле температур и скорость затвердевания металла при определенных условиях на охлаждаемой поверхности наносимого покрытия, зависящих в свою очередь от конструктивного оформления ПМФ и выбранной скорости литья.

Следует отметить, что выбор скорости вытягивания слитка зависит от производительности ПМФ и не может быть меньше некоторого критического min значения ул <ул .

С другой стороны, с увеличением скорости литья происходит уменьшение толщины твердой оболочки наносимого покрытия на выходе из кристаллизатора и возрастает опасность разрушения оболочки. Таким образом, при проектировании ПМФ необходимо выбрать такую высоту кристаллизатора, которая обеспечит стабильный, безаварийный режим разливки бронзы со скоростью, обеспечивающей необходимую производительность агрегата.

Качество конструкции, получаемой методом совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации, в немалой степени зависит от теплофизических явлений, сопровождающих образование тонкой твердой корки (оболочки) в пределах кристаллизатора. В связи с этим весьма важно знать условия теплообмена на внешней, охлаждаемой поверхности покрытия, определяющие теплоотвод от расплава в кристаллизаторе.

Д.П.Евтеев [98, 99] сформулировал показатели требуемого режима охлаждения слитка: а) температура поверхности слитка должна снижаться в зоне вторичного охлаждения непрерывно вплоть до момента окончания затвердевания. Это позволит свести к минимуму растягивающие напряжения во внутренних слоях (недопустим разогрев слитка на каких-либо участках); б) недопустимы резкие изменения интенсивности теплоотвода (главным образом снижения теплоотвода) при выходе слитка из кристаллизатора в зону вторичного охлаждения; в) недопустимо раздутие граней слитка в конце зоны затвердевания более 0,5% (на обе стороны) ширины.

Д.П.Евтеев называет режим вторичного охлаждения, удовлетворяющий указанным условиям, оптимальным. Использование этого термина оправдано, строго говоря, лишь в тех случаях, когда речь идет о достижении экстремума (в частности, максимума) некоторого функционала. Поскольку ни одно из упомянутых условий Д.П.Евтеева не связано с достижением экстремума функционала, лучше использовать термин "рациональный".

Условия рационального режима вторичного охлаждения слитков, сформулированные Д.П.Евтеевым, нуждаются в дополнениях и уточнениях [100].

Во-первых, монотонное снижение температуры поверхности слитка вдоль технологической оси должно быть дополнено равномерным распределением температуры по периметру слитка. Во-вторых, нижняя граница температур поверхности слитка в конце зоны вторичного охлаждения должна быть определена с учетом конкретных условий деформирования слитка.

Кроме того, показатели рационального режима вторичного охлаждения должны быть согласованы с другими показателями процесса разливки - скоростью вытягивания полосы и (в меньшей степени) с температурой жидкой бронзы при разливке. Условия такого согласования в настоящее время определяются эмпирическим путем в ходе практического освоения технологии СКПД.

Затраты времени и усилий на освоение рациональных режимов технологии СКПД могут быть существенно сокращены за счет использования метода математического моделирования процесса СКПД и экспериментального метода измерения температуры путем вмораживания термопар [101-103].

3.2 Исследование процесса кристаллизации наносимого покрытия при СКПД

Теоретические данные о температурных полях по длине и сечению полосы могут нести полезную для технолога информацию о полной длительности затвердевания сплава, чрезмерном и опасном охлаждении отдельных участков полосы и т.д.

Рис. 3.1. Распределение изотерм в сечении наносимого покрытия

Модель затвердевания позволит построить карты распределения изотерм в сечениях кристаллизующегося покрытия, получаемого при СКПД (рис. 3.1). В результате представляется возможным оценить размеры двухфазной зоны покрытия, расположенной между изотермами ликвидуса Тлш и солидуса Тсол. Знание размеров двухфазной зоны и длительности пребывания отвердевающего сплава в двухфазном состоянии оказывается полезным при анализе условий происхождения дефектов ликвационного характера.

Моделирование процесса кристаллизации позволяет определить критические температуры для сплава, а также зависимость состава и количества фаз, выделяющихся из жидкости в процессе кристаллизации.

Другим важнейшим результатом является определение теплоты кристаллизации, а также теплоемкости фаз в зависимости от состава и температуры.

57

Изучение процесса равновесной кристаллизации с привлечением термодинамической модели сплава служит информационной базой для моделирования процессов затвердевания при проектировании технологии СКПД с целью анализа и управления качеством наносимого покрытия на различных этапах его получения (рис. 3.2).

Термодинамическая модель сплава I

1 Мздели теплообмена.1 \ кристаллизации, ] 1 ДИффуЗМ'И

Моделирование литерных процессов

Анализ и управление строением жидкого раопава, расчет фиэмю-хими^еских свойлв расгпавэ

I Анализ циркуляции и • охлаждения раслпава 1 лрм заполнении , формы. I прсю-юэ дефектов Анализ *имети»и | затвердевания. , макро- и мякрс-I структура отлив<и, ' иру| ти цифвкил» [ п|зм адтеердевэкми^

Анализ фазсеых превращений е твердом состоянии, |(ЛЛ иии двфчк I ии

Задачи анализа и управления качеством НК при проектировании технологии СКПД

Рис. 3.2. Применение модели сплава

Результатом термодинамического моделирования является не только возможность получения параметров для моделей различных процессов, но и важная информация о свойствах сплава, связанных с особенностями его структуры после кристаллизации и в твердом состоянии:

- вероятное строение расплава в зависимости от температуры и состава, а также физико-химические характеристики сплава (плотность, коэффициенты диффузии, поверхностное натяжение и т.д.);

- диаграмма состояния системы сплавов и ее параметры (наклоны линий и поверхностей, коэффициенты распределения компонентов между фазами);

- критические температуры фазовых превращений сплава (ликвидус, солидус, температурный интервал кристаллизации АТщ и т.д.), влияние компонентов на критические температуры сплава;

- характер распределения компонента по сечению дендрита (характер микроликвации компонента);

- тепловые характеристики сплава (теплота кристаллизации, теплоемкость) и их изменение в процессе кристаллизации.

3.3 Математическое моделирование процесса затвердевания покрытия при СКПД

В теории затвердевания отливок [104, 105] большинство решений относится к телам в форме плиты, цилиндра, шара и при использовании ряда упрощающих задачу предположений: постоянство теплофизических свойств отливки, коэффициентов теплоотдачи; отсутствие нелинейных взаимодействий и др. Между тем подавляющее большинство слитков, предназначенных для прокатки на блюминге или слябинге, имеет поперечное сечение в форме прямоугольника с округленными краями (ребрами). Тепловое состояние затвердевающего слитка во многом зависит от условий его взаимодействия с кристаллизатором. При этом нельзя не учитывать то обстоятельство, что теплообмен в зазоре между слитком и стенкой кристаллизатора осуществляется через газовый зазор путем излучения. Его рассчитывают с помощью нелинейного закона Стефана—Больцмана. Наконец, теплофизические свойства бронз (Я, с) существенно зависят от температуры, которая изменяется в ходе кристаллизации слитка. Учет всех указанных обстоятельств весьма усложняет математическую формулировку задачи, однако такая математическая модель затвердевающего слитка является более адекватной реальному объекту. Учитывая возможность использования численных методов при решении задачи о затвердевании слитка, приведем ее математическую формулировку для случая двух пространственных измерений в поперечном сечении наносимого покрытия.

Прежде всего, отметим, что большинство промышленных марок бронзы представляют собой сплавы, кристаллизующиеся в интервале температур между ликвидусом Т,шк и солидусом Тсол. При неравномерном по сечению слитка распределении температуры наличие интервала кристаллизации приводит к тому, что вместо гладкой границы раздела фаз фронт кристаллизации представляет собой пространственно распределенную систему - переплетение дендритных кристаллов с расплавом, - которую принято называть двухфазной зоной.

Для решения задачи о внутреннем теплообмене воспользуемся дифференциальным уравнением теплопроводности, имеющим в общем случае вид:

3.4) где а = —— коэффициент температуропроводности; р-с

Л - коэффициент теплопроводности; р - массовая плотность вещества; с - удельная теплоемкость.

Если выделение теплоты кристаллизации происходит в интервале {Тлж - Тсол), вводим источник теплоты в уравнение нестационарной теплопроводности: х-^- = cliv(Лgrac^T)+ ■> (3.5) где g - У/Уо ~ объемная доля твердой фазы в контрольном элементе двухфазной зоны.

Параметр g в общем случае определяется кинетикой роста кристаллов у фронта кристаллизации слитка. Однако можно предположить, что переохлаждение расплава у фронта кристаллизации невелико и доля твердой фазы полностью определяется равновесной диаграммой состояния изучаемого сплава. Как известно, для бинарной диаграммы состояния сплава доля твердой фазы может быть определена правилом отрезков.

1. Астров Е.И. Плакированные многослойные металлы. М.Металлургия, 1965.- 239 с.

2. Король В.К., Гильденгорн М.С. Основы технологии производства многослойных металлов. М.¡Металлургия, 1970. - 237 с.

3. Малевских Ю.Б., Несмих B.C., Сварка давлением бронзы со сталью. М.: Металлургия, 1981. - 108 с.

4. Гельман A.C. Основы сварки давлением. М.:Машиностроение, 1970. - 312с.

5. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением. М.:Машиностроение, 1986.275 с.

6. Голованенко A.C. Сварка прокаткой биметаллов. М.:Металлургия, 1977.158 с.

7. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов идр.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова 2-е изд., испр. и доп. М.:Машиностроение, 1986. - 384 е., ил.

8. Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев., В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др. Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.

9. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. Учебник для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: «Машиностроение», 1977. 423 с.

10. Красулин Ю.Л., Назаров Г.В. Микросварка давлением. / Под ред. Э.С. Каракозова. М.:Металлургия, 1976. 160 с.

11. Колпашников А.И. и др. Деформирование композиционных материалов / Арефьев Б.А., Мануйлов В.Ф., Колпашников А.И. М.¡Металлургия, 1982 - 246 с.

12. Композиционные материалы: Справочник / АН.УССР; Ин-т проблем материаловед.; J1.P. Вишняков, Т.В. Грудина, В.Х. Кадыров и др., Под ред. Д.М. Карпиноса Киев: Наук, думка, 1985. - 592 с.

13. Астров Е.И. В сб. «Производство и применение биметаллов и листов сзащитными покрытиями». Изд. ЦИИНЧМ, 1962, с.8.

14. Самсонов Г.В., Прядко Л.Ф. Электронная локализация в твердом теле. МЛ 976.

15. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе. М. 1976.

16. Parks J.M. Recrystallization Welding// The Welding Journal.1953. Vol. 32, № 5. P. 123-130.

17. Хренов K.K. Новости сварочной техники. M. 1949.

18. Алов А.А. Вопросы теории сварочных процессов. Машгиз, 1959.

19. Durst G.A. Few Observations on Solid Phase Bonding. Metal Progress, 51. 1947,1.

20. Лашко Н.Ф., Лашко-Авакян С.В. Металловедение сварки. М. 1954.

21. Erdmann-Jesnitzer F., Wichmann W. GesetzmaRigkeiten bei Verwachsungvorganen von Kristallen, III Theorie zur Prapschweipung metallisher Korper. Zeitschrift fur Metallkunde, 46, 1955, 12.

22. Whitehead S.R. Proc. of the Royal Society, 1950, № 201, p. 10923Tylecote R.F. Investigations on Cold Pressure Welding. British Welding Journal, 1, 1954,№3.

23. Hughes J.E. Sheet Metal Industry, 31, 1954, №321, p. 1171.

24. Айнбиндер С.Б. Холодная сварка металлов. Рига, 1957.

25. Буше Н.А., Федоров С.В. Состояние и свойства фрикционного контакта металлов при трении в условиях схватывания.// Трение и износ. 1991. Том 12, №1. с.46-55.

26. Федоров В.В. Термодинамические аспекты прочности и разрушения твердых тел. Ташкент, 1985.

27. Федоров В.В. // Физико-химическая механика материалов. 1988. № I.e. 3236.

28. Семенов А.П. Схватывание металлов. Машгиз. 1958.

29. Семенов А.П. // Трение и износ. 1980. T.I, № 2. С. 236-246.

30. Семенов А.П. Трение и адгезионное взаимодействие тугоплавких материалов при высоких температурах.-М.:Наука, 1972. 160с.

31. Дерягин Б.В. Механические свойства граничного смазочного слоя. // Трение и износ, 1986. Том 7, № 5. с.773-779.

32. Дычко A.A., Рыжова T.J1. // Тр. Омского ин-та инж.ж.д. трансп. Вып. 55.1965. С. 36-44.

33. Шустер Л.Ш. Адгезионное взаимодействие твердых металлических тел. Уфа: Гилем. 1999. 199 с.

34. Полонский Ю.З. О концепции схватывания металлов и ее применении к опорам граничного трения. // Трение и износ. 1991. Том 12, № 2. С.258-266.

35. Полонский Ю.З. Повышение надежности и долговечности материалов и деталей машин на основе новых методов термической и химико-термической обработки. Тез.докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. М., 1988, с. 42.

36. Упит Т.П. // Известия АН Латвийской ССР, Рига, 1957, № 12, 1958, № 1.

37. Weber С., Gummi-Ztg, № 18, 255 (1903).

38. Евстратов В.Ф., Транковская Н.И., ЖРП, № 5, 578 (1936).

39. Pashley M.D., Pethica J.В., Tabor D. Adhesion and micromechanical properties of metal surfaces // Wear, 100 (1984), p. 7-31.

40. Лихтман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. Физико-химическая механика металлов. М: Изд-во АН СССР, 1962. 304 с.

41. Вейлер С.Я., Лихтман В.И. Действие смазок при обработке металлов давлением. М: Изд-во АН СССР, 1960. 230 с.

42. Лившиц Е.М. Влияние температуры на молекулярные силы притяжения между конденсированными телами. ДАН СССР. Т. 100, № 5, 1955, 879 с.

43. Shaw P., Leavy Е. Phil. Mag. 1930, vol.30, p. 809.

44. Machlin E.S., and Jankee W.R. Friction of clean and oxides with special reference to titanium. J.Appl.Phys., 1954, № 5, vol. 25, pp.576-581.

45. Б.Т. Грязнов. Об оценке сил адгезии. // Безысносное трение. С. 19-23.

46. Дж. М. Поут. Имплантационная металлургия и образование метастабильных сплавов. Ионная имплантация. М.: Металлургия, 1985. С. 72-108.

47. Партенский М.Б. Самосогласованная электронная теория металлической поверхности. УФН, 1979, 128.вьш.1, с. 69-106.

48. Ferrante J., Smith J.R. A theory of adhesional bimetallic interface overlap effects. // Surface Science, 1973, 38, № 1, p.77-92.

49. Кобелева P.M., Гельчинский Б.P., Ухов В.Ф. К расчету поверхностной энергии в модели дискретного положительного заряда. // ФММ. 1978, 45, вып.1, с. 25-32.

50. Кобелева Р.М., Гельчинский Б.Р., Ухов В.Ф. К теории адгезии двух металлических поверхностей. // ФММ, 1979, 48, вып. 2, с. 251-259.

51. Василевский М.И. К расчету адгезии в системах металл-металл и металл-диэлектрик. // Поверхность, 1985, вып. 1. С. 32-39.

52. Кобелева Р.М., Розенталь О.М., Кобелев А.В. К теории электронной составляющей и силы взаимодействия металлических тел. // Коллоидный журнал, 1977, 39, вып. 2, с. 295-301.

53. Вакилов А.Н., Прудников В.В. К расчету адгезии металлов и диэлектриков. //ФММ, 1991, №8, с. 11-20.

54. Беннет А. Сб. Новое в исследовании поверхности твердого тела. М.: Мир, 1977. 221с.

55. Голенков В.А., Зыкова З.П., Кондратов В.И. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением на персональном компьютере. М.: Машиностроение, 1994. 272 с.

56. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа, 1984.

57. Самарский А.А., Курдюмов С.П., Ахромеева Т.С., Малинецкий Г.Г. Нелинейные явления и вычислительный эксперимент. // Вестник АН СССР, 1985, № 9, с.64-77.

58. Наука, технология, вычислительный эксперимент. М.: Наука, 1993. - 149с.

59. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование М.: Наука, Физматлит. 1997. 320 с.

60. Бочаров Ю.А. XIII Международная конференция по исследованиям в производственной технологии (г.Беркли, США) // Кузнечно-штамповочноепроизводство. -1986. № 7. - С.38-40.

61. ГОСТ 26962-86 Гибкие производственные системы и гибкие производственные модули

62. Боровитченко A.A. Уровни автоматизации гибких производственных модулей обработки давлением // Кузнечно-штамповочное производство. 1989. №2. С.33-34.

63. Жабин А.И. Комплексная автоматизация кузнечно-штамповочного производства на базе промышленных роботов // Кузнечно-штамповочное производство. 1981. №11. С.38-39.

64. Коган К.С., Агафонов Ю.Т., Баталов В.А. Применение промышленных роботов с цикловой системой управления для автоматизации горячей штамповки на КГШП // Кузнечно-штамповочное производство. 1981. №6. С.9-10.

65. Юревич Е.И., Аветиков Б.Г., Корытко О.Б. Классификация промышленных роботов. Сб.: Промышленные роботы, № 1, Л.: Машиностроение, 1977.

66. Промышленные роботы. Каталог. М., 1974.

67. Филькин И.Н. Автоматизированные комплексы горячей штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. 1981. №5. С. 10-12.

68. Антонов В. А. Разработка методики проектирования пневмогидравлического молота с устройством программно-адаптивного управления циклом штамповки: Автореф. дис.канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. 16 с.

69. Бочаров Ю.А., Герасимов A.B. Программное управление штамповочнымимолотами. М: МГТУ, 1995. 80 с.

70. Бовыкин И.В. Исследование винтового пресса с новой системой дозирования кинетической энергии. Автореф. дис. .канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1977. 16 с.

71. Перевертов В.П. Система управления гидровинтового пресса двойного действия с адаптацией по температуре заготовки. Автореф. дис. .канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1979. 16 с.

72. Петросян J1.C. Система программного управления для приводного пневматического ковочного молота. Автореф. дис. .канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1984. 16 с.

73. Бороздин В.А. Автоматизированный ковочный комплекс на базе приводного пневматического молота. Автореф. дис. .канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1988. 16 с.

74. Бабин Н.Б. Программное управление паровоздушным штамповочным молотом. Автореф. дис. .канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1984. 16 с.

75. Маркушин М.Е. Программное управление винтовым муфтовым прессом. Автореф. дис. .канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1978. 16 с.

76. Юданов Е.А. Программное управление паровоздушным штамповочным молотом с адаптацией по параметрам энергоносителя. Автореф дис. .канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1988. 16 с.

77. Терещенко А.П. Гидроимпульсный пресс с программным управлением. Автореф. дис. .канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1989. 16 с.

78. Челищев С.Б. Кузнечно-прессовое оборудование в начале нового века // Кузнечно-штамповочное производство. 1998. № 2. С. 4-9.

79. Крук А.Т., Федоркевич В.Ф. К выбору концепции тяжелых кривошипных горячештамповочных прессов // Кузнечно-штамповочное производство. 1999. №7. С.36-39.

80. Балаганский В.И., Бочаров Ю.А., Гладков O.A. Система программно-адаптивного управления горячештамповочным комплексом // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2001. №6. С.26-30

81. Бычков В.П. Электропривод и автоматизация металлургического производства: Учеб. пособие для вузов. Изд. 2-е, пепрераб. и доп. М.: Высш. школа, 1977.-391 с.

82. Принцип построения автоматизированной системы управления широкополосным станом горячей прокатки. Тимофеев Б.Б, Бобраницкий Ю.П. В сб. «Автоматизация прокатных станов» М., «Металлургия», 1974 (Институт автоматики), с. 5-25.

83. Дембовский В.В. Автоматизация литейных процессов: Справочник. -Л.Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. -264 с.

84. Дьяков А.Г., Космачевский А.Ю., Аванесова Т.Ц., Щекина В.М., Шелковый Д.К. Система управления литьевой машиной на базе микроЭВМ // Кузнечно-штамповочное производство. 1988. №5. С.30-31.

85. Злотников Т.Я., Кадыркаев A.A. Автоматизированный комплекс для штамповки деталей из ленты // Кузнечно-штамповочное производство. 1983. №4 С.29-30.

86. Амбарцумян A.A., Казанский Д. Л. Управление технологическими процессами на основе событийных моделей // Автоматика и телемеханика. -2001. -№10. С. 188-203.

87. Исаченков Е. И. Контактное трение и смазки при обработке металлов давлением.—М.: Машиностроение, 1978. 208 е., ил.

88. Jacob., Liebscher Н. Доклад на 2-й конференции стран-членов СЭВ поборьбе с коррозией. Прага. 1975.

89. Wach S., Miodownik А.Р., Maskowiak J. Corrosion Science, 1966, V.6, №6, p.271-285.

90. Petrov C., Trandafilov A., Liebscher H. Metalloberflache, demnächst.

91. Всеобщее управление качеством: Учебник для вузов / О.П. Глудкин, Н.М. Горбунов, А.И. Гуров, Ю.В. Зорин: под ред. О.П. Глудкина. М.: Горячая линия -Телеком, 2001.-600 с.

92. Процессы деформации. Бэкофен В. Массачусетс, Калифорния, 1972. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1977. 288 с.

93. Евтеев Д.П., Соколов JI.A., Лебедев В.И. О выборе граничных условий при расчетах затвердевания слитка // Сталь. 1975. - № 1. - С. 32-34.

94. Краснов Б.И., Евтеев Д.П. Оптимизация режима кристаллизации слитка на машинах непрерывного литья заготовок // Сталь. 1974. - № 10. - С. 987-900.

95. Малевич ЮЛ., Самойлович ЮА. Теплофизические основы затвердевания отливок и слитков. Мн:. Выш. шк., 1989. - 203 с.

96. Мартынов О.В. и др. Температурные измерения в процессе непрерывной разливки стали // Непрерывная разливка стали. М.'Металлургия, 1970.-С.59-60.

97. Непрерывная разливка стали в заготовки крупного сечения / А.И.Чижиков, В.П.Перминов, Б.А.Иохимович и др. М.:Металлургия,1970. - 136 с.

98. Тепловые процессы при непрерывном литье стали / Под ред. Ю.А.Самойловича. М.:Металлургия, 1982. -152 с.

99. Босворт Р. Процессы теплового переноса. М.:Гостехтеориздат, 1967. 276с.

100. Вейник А.И. Теория затвердевания отливки. М.: Машгиз, 1960. - 435 с.