автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Исследование и совершенствование системы управления автоматизированным комплексом гидрорастяжения кольцевых заготовок на гидравлическом прессе

Г ь ом 2 1 ДЕК 1=2*

9 Па правах рукописи

у

ПАЩЕНКО МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ КОМПЛЕКСОМ ГИДРОРАСТЯЖЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК НА ГИДРАВЛИЧЕСКОМ ПРЕССЕ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессом и производств (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1998

Работа выполнена в Уральской государственной академии путей сообщения (УрГАПС)

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Готлиб Б.М. Официальные оппоненты: доктор технических наук,

ст.н.сотр. Залазинский А.Г. ; кандидат технических наук, ст.н.сотр. Лешерн П.И.

Ведущее предприятие: АО "Уралхиммаш"

Защита диссертации состоится 21 декабря 1998 г. в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета К 063.14.12 по защите диссертаций, представленных на соискание ученой степени кандидата технических наук, при Уральском государственном техническом университете (УГТУ-УПИ) в ауд. М-323.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г.Екатеринбург, К-2, ул.Мира, 19, УГТУ-УПИ, ученому секретарю университета.

тел. (3432)44-85-74.

Автореферат разослан _ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Некрасов И.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Процессы холодной штамповки занимают видное место среди процессом обработки металлов давлением. В последние годы получили развитие перспективные способы холодной штамповки с использованием жидкости высокого давления (процессы гидравлической штамповки). Характерной особенностью таких процессов является использование жидкости высокого давления в качестве универсального формообразующего инструмента, что позволяет существенно упростить ттампо-ную оснастку и снизить ее стоимость.

Одной из важных частных задач гидравлической штамповки является гидрорастяжеине кольцевых заготовок большого диаметра. При этом используется схема гидроштамповки без подпора наружной поверхности заготовки (без использования матрицы). Процесс гидрорастяженпя нашел эффективное применение при упрочнении бандажных колец для укрепления лобовых частей обмоток роторов турбогенераторов большой единичной мощности. Полученные таким способом бандажные кольца, в отличие от колец, получаемых методом раскатки па оправке при температуре 200.. .50и°С\ отличаются высокой прочностью и однородностью механических характеристик по объему заготовки. При этом степень пластической деформации кольцевой заготовки может достигать 50-00%.

При гидрорастяжении кольцевую заготовку устанавливают между вертикально расположенными конусами, связанными с подвижной траверсой и архитравом пресса, которые образуют замкнутую внутреннюю полость между внутренней поверхностью заготовки и наружной поверхностью оправки. Гидравлическое растяжение заготовки осуществляют путем подачи во внутреннюю полость жидкости высокого давления и сближения конусных втулок усилием пресса для постоянной герметизации внутренней полости. Под действием давления жидкости происходит холодная пластическая деформация заготовки. Нарушение согласованности между движением конусов и возникающей деформацией заготовки приводит к искажению цилиндрической формы заготовки, к появлению трещин и, в отдельных случаях, вызывает их полное разрушение.

Решение данной проблемы связано с созданием автоматизированной системы управления (АСУ) скоростью движения конусов. Существующие разработки систем управления не имеют достаточно обоснованного закона регулирования и надежных датчиков для измерения размеров и формы кольцевой заготовки непосредствегаю в процессе гидрорастяжения.

Все это создало предпосылки для проведения исследований, направленных на. разработку уточненной математической модели процесса гидрорастяжения кольцевых заготовок, решение проблемы бесконтактного измерения диаметра и формы деформируемой заготовки, построение алгоритма обработки первичной информации и закона регулирования.

Разработка эффективной автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок большого диаметра направлена на решение реальных задач, связанных с производством упрочненных бандажных колец для укрепления лобовых частей обмоток роторов турбогенераторов большой мощности и является актуальной.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса производства бандажных колец большого диаметра на основе совершенствования метода управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок.

Задачи исследования:

• провести сравнительный анализ существующих систем управления процессом гидрорастяжением кольцевых заготовок на гидравлическом прессе;

• построить математическую модель процесса пластического деформирования кольцевой заготовки при гидрорастяжешш;

• построить имитационную модель процесса гидрорастяжения;

• исследовать конструктивную жесткость гидравлического пресса при рабочем пагружешш;

• разработать способ бесконтактного измерения размеров и формы кольцевой заготовки в процессе гидрорастяжения;

• разработать структуру и алгоритм работы автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использовался аналитический метод построения математической модели пластического деформирования кольцевой заготовки методами механики твердого деформируемого тела. Построение имитационной модели процесса гидрорастяжения осуществлено методами математического моделирования технологических процессов. Конструктивную жесткость пресса исследовали экспериментальными методами, используя прецизионные геодезические приборы. Бесконтактная система измерения размеров и формы цилиндрической заготовки базируется на положениях теории измерения технологических параметров. При разработке структуры и алгоритма работы АСУ процессом гидрорастяжепия использованы основные положения теории управления техническими объектами.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель процесса пластического деформирования кольцевых заготовок при гидрорастяжепия на гидравлическом прессе.

2. Построена имитационная модель процесса гидрорастяжения кольцевых заготовок на гидравлическом прессе.

3. Разработаны структура и алгоритм управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок на гидравлическом прессе. Основные положения, выносимые на защиту.

• математическая модель процесса гидрорастяжения кольцевых заготовок;

• имитационная модель процесса гидрорастяжения;

• методика бесконтактного измерения диаметра кольцевой заготовки;

• структура автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок на гидравлическом прессе;

• алгоритм управления процессом гидрорастяжения. Практическая ценность:

1. Получены результаты имитационного моделирования процесса гидрорастяжения.

2. Предложен метод бесконтактного измерения размеров и формы кольцевой заготовки в процессе деформирования.

3. Разработаны структура системы управления и алгоритм управления процессом гидрорастяжени.

4. Получены результаты натурных исследований процесса гидрорастяжения кольцевых заготовок на гидравлическом прессе усилием 300 МН.

Реализация в промышленности. Основные результаты работы были опробованы п производственных условиях ПО "Уралмаш". Диссертация основана на результатах НИР, выполненных при участии автора в УрГАПС и на ПО "Уралмаш".

Публикации и апробация работы. По результатам диссертационных исследований опубликовано 7 печатных работ.

Основные положения диссертационной работы докладывались на III межвузовской научно-методической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта" (М., РГОТУПС), на семинаре научное наследие И.Я.Тарновского "Актуальные проблемы теории и практики обработки металлов давлением" (г.Екатеринбург, УГТУ-УПИ), на II Всероссийской студенческой научно-технической конференции "Информационные технологии и электроника" (г.Екатеринбург, УГТУ-УПИ), на научно-технической конференции "Молодые ученые - транспорту" (г.Екатеринбург, УрГАПС), па международной научно-технической конференции "Железнодорожный транспорт - сегодня и завтра" (г.Екатеринбург, УрГАПС).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения. 4 глав и заключения. Диссертация содержит 212 страниц, 47 рисунков, 12 таблиц и список литературных источников из 109 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дана общая характеристика технологических процессов гидроштамповки малогабаритных и крупногабаритных изделий. Особое внимание обращено на технологический процесс гидрорастяжения кольцевых заготовок на вертикальном гидравлическом прессе усилием 300 МН, который нашел применение при упрочнении бандажных колец для укрепления лобовых частей обмоток роторов турбогенераторов большой единичной мощности.

Выполнен сравнительный анализ известных разработок автоматизированных систем управления процессом гндрорастяжеЛия на вертикальном гидравлическом прессе усилием 300 МН. Результаты анализа сводятся к следующему:

1. Существующие разработки систем управления процессом гидрорастяжения или не имеют достаточно обоснованного закона регулирования, или не позволяют на основании принятого закона регулирования получить алгоритм обработки первичной информации.

2. Существующие контактные датчики измерения внешнего диаметра и разности диаметров цилиндрической заготовки по высоте (формы заготовки) непосредственно во время процесса гидрорастяжения не имеют удовлетворительного решения. Они обладают недостаточной точностью и малой надежностью, а при разрыве заготовки в процессе гидрорастяжеиия выходят из строя.

На основании этих результатов анализа были сформулированы задачи исследования, приведенные выше.

Во второй главе проведено моделирование процесса шдрорастяжения кольцевых заготовок на гидравлическом прессе.

Расчетная схема к определению деформированного состояния заготовки в общем случае гидрорастяжения (под воздействием конусов и внутреннего давления) приведена на рис. 1.

Объем заготовки разделен на две зоны I и II. Задача предполагается осесимметричной и симметричной относительно плоскости, перпендикулярной оси заготовки и проходящей через середину высоты заготовки. В связи с этим на рис. 1 изображена четвертая часть меридионального сечения заготовки. Система координат цилиндрическая, жестко связанная с заготовкой. В силу симметрии предполагается, что верхний и нижний конусы сближаются с одинаковой скоростью.

Расчетная схема определения деформированного состояния заготовки

"бочка" "корсет"

прямолинейная образующая

Рис. 1.

На рис. 1 использованы следующие обозначения: рк, а — параметры конуса: И к — расстояние до конуса от плоскости симметрии; к, р, Л, 1ф = \Д'1 — текущие средние размеры заготовки (1ф — длина образующей конической фаски); Не, Иц — параметры размеров дополнительного краевого бандажа; р\ — радиус верхней кромки фаски; д(г), д*{г) —функции, описывающие контактную поверхность конуса и фаски в момент времени ¿ив близкий момент V = £ + Д£; 1цу — к — параметр, характеризующий положение нижней кромки фаски; ]'т — полная скорость подвижной траверсы пресса (\/'т/2 — скорость каждого из конусов в математической модели); Уп — нормальная скорость контактной поверхности каждого из конусов; д, дф — удельное давление на внутренней поверхности заготовки и на поверхности фаски; гтр — удельные силы трения на поверхности фаски.

Из рис. 1 видна справедливость следующих соотношений:

Р1 - Р + 1ф -йт-; д(г) = 1гк + (г - рк) ■

а

д*(г) = д(г) к

Ут

АР,

Ь- (р! - р)

1ф = (к-к)/с о.ч-;

Н — ¡1 — 1ф СОБ

О:

(1)

Функция д(г) в текущих параметрах заготовки может быть представлена п других видах:

д(г) = к + (г — р) ■ ctg —; д(г) = +

(2)

Здесь принято, что поверхность фаски в процессе гидрорастяжения не покидает поверхность конуса.

Усредненные по объему заготовки механические свойства материала заготовки описываются выражением:

тт = т£А,

(3)

где тт — предел текучести на сдвиг деформированного материала; — начальное значение предела текучести материала на сдвиг; А — средний

по объему заготовки параметр упрочнения.

Выражение для определения параметра упрочнения имеет вид:

\ V ^ 2 1

А = Ао + -1>1п —-,

3 К — р

где А0 = Ет[Е0 — параметр упрочнения материала заготовки; Еа — модуль упругости недеформированного материала; Еу — модуль упрочнения материала по кривой растяжения цилиндрических образцов; и = Ет/Зт^ — относительный модуль упрочнения; /?0,р„ и Л,р — соответственно размеры исходной и деформированной заготовки.

Задача определения деформированного состояния заготовки требует в каждый текущий момент времени знания полей скоростей перемещения Уг(г,г), У,(г, г) , удовлетворяющее условию несжимаемости

9К К дУг = 0 дг г дг

и граничному условию на поверхности фаски

Т' Т/ 4 а Ут

(5)

(0)

Рассмотрим математические модели для различных способов упрочнения кольцевых заготовок.

Математическая модель гидрорастяжения при воздействии на заготовку конусов и внутреннего давления имеет вид (7).

УгС> =

д(г)

Уг(/) ctg

у(Щ =

9{г)

у(щ = у(1) _ п:

а Ут\

2 ~ т;

а УТ\

2 ~ т]

Ут

- + -

С)

Л2/

(7)

4 д(г) 4с162 |

{Р«&21-Ь)2 | д(г)

г ■ д(г)

В (7) функция F(г) имеет вид (8).

Пг)=СР-^1+Утг2-р2

(8)

г • д{г) ' 4 г • д(г) В выражениях (7) и (8) величины С и 7 являются варьируемыми пара

метрами, подлежащие определению из решения вариационого уравнения мощностей.

Уравнение баланса мощностей (без учета сил трения на фаске) запишется в виде

ш ЛЪ =ЛГ? + Аг?ф, (9)

где N¡1 - полная мощность развиваемая силами сопротивления деформации заготовки, - полна.я мощность сил внутреннего давления жидкости на стенки кольцевой заготовки, ЛГ9ф - полная мощность сил давления на поверхность фаски.-

Варьируемые параметры С и ¡3 (учитывая связь, существующую между параметрами С, 7 и в) определяются из условия минимума полной мощности внешних сил

ЛЫС,/?)=тт. (Ю)

Минимизация функционала (10) осуществляется методами нелинейного программирования.

Между параметрами С и 7 существует связь, которая определяется из условия

где IV — объем внутренней полости, заполненной жидкостью сверхвысокого давления; <2 — расход жидкости сверхвысокого давления.

Формоизменение заготовки при воздействии па нее только сверхвысоким давлением во внутренней полости (при этом перемещение конусов обеспечивает сохранение условий герметизации внутренней полости) описывается выражениями вида

г \ И2

(12)

уУ') =

Г V к2 С

Связь между варьируемыми параметрами С, ¡3 и 7 определяется из условия (И).

Формоизменение заготовки при воздействии на нее конусами и при осадке на плоских плитах описывается для всего 061,ема заготовки (без деления на объемы I и II). В этом случае поле скоростей перемещений имеет вид

к = F(r)

V, =

1 +0 1

S(r)

К Cte

а

92(Г) 3 \'т

2 (3 + 2в)

l + ß-

3 (J\r)

(13)

где F(r) = + f ^ = h + (r - p) ctg f; С nß-

варьируемые параметры.

В случае осадки на плоских плитах в формулах (13) следует положить ctg f=0.

Формоизменение заготовки на плоских плитах при воздействии на внутреннюю поверхность заготовки сверхвысоким давлением описывается выражениями для скоростей перемещений

Vr = C+ß-(l-t г \ h2

г

(14)

Связь между варьируемыми параметрами С и ¡3 также определяется из условия (11).

Результаты математического моделирования процесса формоизменения кольцевой заготовки для различных сочетаний деформирующих воздействий использовались для построения имитационной модели процесса гидрорастяжения кольцевых заготовок на гидравлическом прессе усилием 300 МЫ. Имитационная модель предназначена для расчета и управления формоизменением кольцевых заготовок в процессе их деформирования при различных сочетаниях деформирующих воздействий и различной форме рабочего инструмента.

Структурная схема имитационной модели представлена на рис. 2. Имитационная модель функционирует в двух режимах: "Обучение" и "Советчик"'. В режиме "Обучение" осуществляется выбор способа и режима деформирования заготовки при проектировании технологического процесса гидрорастяжения и решается задача аналитического определения формоизменения заготовки при различных деформирующих воздействиях и формах рабочего инструмента (инструментальной оснастки). В режиме "Советчик" осуществляется имитация управления технологическим процессом в реальном масштабе времени (для различных способов реализа-

Структурная схема имитационной модели процесса гидрорастяжения на гидравлическом прессе усилием 300 МН

деформирующие воздействия

Рис. 2.

ции процесса). В этом режиме имитационная модель выступает в качестве советчика или полигона для отработки практических навыков управления процессом в различных ситуациях.

Имитационная модель реализована в виде пакета программ на ПЭВМ.

Используемая для моделирования информация состоит из четырех массивов :

• входной информации о геометрических размерах заготовки и инструментальной оснастки;

• информации о механических свойствах материала заготовки;

• информация о моделирующих параметрах;

• информация об алгоритме расчета формоизменения заготовки.

Программный комплекс позволяет:

• имитировать процесс гидрорастяжения, изменяя управляющие воздействия;

• исследовать процесс при различных: исходных размерах заготовки; механических свойствах материала заготовки; формах и размерах оснастки; комбинациях управляющих воздействий;

• вести обучение операторов пресса.

Адекватность имитационной модели была проверена в производственных условиях в процессе гидрорастяжения кольцевой заготовки на прессе усилием 300 МН под воздействием сверхвысокого давления, подаваемого во внутреннюю полость, и конусов. При имитации процесса гндрорастя-жения величина и интенсивность изменения управляющих параметров Vj и Q соответствовали их реальным значениям при осуществлении процесса гидрорастяжения этой же заготовки на прессе.

В процессе гидрорастяжения внешние размеры заготовки контролировали с помощью светодальномерной системы бесконтактного измерения внешнего диаметра заготовки и ручным способом с помощью рулетки (при остановке процесса). Расчетная величина необходимого для пластического деформирования заготовки сверхвысокого давления изменялась от 155 МПа в начале процесса до 180 МПа. в копне процесса, что соответствовало действительности.

Третья глава посвящена разработке бесконтактной системы измерения размеров и формы кольцевых заготовок в процессе гидрорастяжения на гидравлическом прессе усилием 300 МН.

Любая система измерений нуждается в первую очередь в выборе базы измерения. Для выбора базы измерения возникла необходимость исследовать жесткость конструкции гидравлического пресса под нагрузкой.

Исследование жесткости пресса усилием 300 МН выполнялось с целью определения величины относительного перемещения базовых деталей пресса в процессе нагружения пресса. По результатам измерения производилась оценка величии смещения оси пресса и обрабатываемой заготовки от своего первоначального положения в процессе нагружения пресса. Эти данные необходимы для правильного выбора метода и средств измерения диаметра и формы кольцевой заготовки в процессе гидрорастяжения.

Наблюдение за поведением точек пресса в процессе работы было выполнено геодезическими методами с использованием оптических теодолитов. Измерения проводились в двух режимах работы гидравлического пресса: в процессе гидрорастяжения заготовок и в условиях предельного нагружения.

В случае гидрорастяжения была предпринята попытка выполнить полный цикл измерений всех наблюдаемых точек. В связи с непрерывностью процесса гидрорастяжения (непрерывного изменения давления в гидросистеме) оказалось невозможным выполнить одинаковое и достаточно большое число приемов наблюдений на все точки пресса с двух осей.

В случае предельного нагружения давление поднималось и фиксировалось дискретно и наблюдения выполнялись по полной программе.

По результатам измерений можно прийти к следующим выводам:

Схема метода измерения наружного диаметра кольцевых заготовок

1 — ось пресса; 2 — светодальномер 1; 3 — светодальномер 2: 4 — отражатели; 5 — оптическая ось светодальномеров 1 и 2.

Рис. 3.

1. Ось пресса в процессе нагружения отклоняется от своего первоначального положения, но эти отклонения носят стационарный характер при последовательных нагружениях.

2. Конструкция пресса обеспечивает достаточно четкую воспроизводимость положений основных узлов пресса в процессе рабочих нагружений и разгрузок.

3. При нагруженпи все колонны пресса удлиняются на одинаковую величину.

Применение бесконтактных методов измерения, основанных на измерении задержки распространения некоторого излучения от источника до поверхности измеряемой детали позволяет снять ограничение на '.'близость" расположения датчика и появляется возможность выбора "удобных" точек расположения датчиков.

В качестве метода измерения диаметра заготовок был предложен разностный светодалыюмерный метод измерения. На рис. 3 приведена схема метода измерения.

На поверхности заготовки закрепляются отражатели в точках, на уровне которых требуется производить измерения диаметра заготовки. В качестве отражателей использовали стандартные уголковые триппель-призмы, а в качестве светодальномеров — прикладные геодезические приборы СП-2

с!

01В :

02В

с паспортной среднеквадратичной погрешностью не более 1 мм. Свето-дальномеры устанавливаются на подвижных платформах (на рис. 3 не показаны), обеспечивающих их вертикальное перемещение на заданные величины.

Предварительная разбивка в цехе точек установки светодальномеров, мест крепления отражателей в режиме калибровки и на заготовке при измерении диаметра, расположения оптических осей приборов позволили выдержать правильную геометрию осей и избежать появления геометрических ошибок при измерениях.

Диаметр заготовки (см. рис. 3) вычисляется по формуле:

D = (DIA + D2A) - (DIB + D'2B). (15)

Перед началом работы системы измерения производится калибровка измерительного устройства, состоящая в измерении значений £>1/1 и D2A.

При использовании разностного метода измерений, отсутствует необходимость в привязке положения светодальномеров к конструктиву пресса, и, соответственно, значительно снижается влияние относительного смещения оси пресса в пространстве в процессе его нагружения.

Система измерения наружного диаметра и формы кольцевой заготовки в процессе гидрорастяжения па прессе усилием 300 МН предназначена для автоматического бесконтактного измерения диаметра в трех точках по высоте образующей цилиндрической поверхности кольцевой заготовки непосредственно в процессе ее пластического деформирования, а также выдачи цифровой информации о диаметре и искажении цилиндрической формы для определения управляющих воздействий со стороны системы управления.

Система состоит из шести оптико-электронных приемо передающих (измерительных) блоков и персональной IBM-совместимой ЭВМ или регистратора измерительной информации.

В качестве измерительных блоков используются стандартные геодезические спетодалыгомеры СП-2, работающие в инфракрасном диапазоне.

Система измерения позволяет осуществлять контроль формы заготовки по высоте (типа "бочка" или "корсет") в процессе гидрорастяжения. Для этой цели светодальномеры устанавливаются на подъемных устройствах, которые предназначены для крепления, перемещения в вертикальной плоскости и фиксации на заданной высоте светодальномеров. Высота подъема светодальномеров зависит от габаритов кольцевой заготовки и мест установки на ней отражателей. Контроль правильной фиксации светодальномера по высоте заготовки осуществляется по указывающей линейке на подъемном устройстве п по совпадению световой марки светодальномера (от ИК-излучателя) с отражателем.

Форма заготовки определяется по результатам измерения диаметров заготовки по высоте в трех сечениях: верхнем, среднем и нижнем. Эти данные заносятся по интерфейсному кабелю в буферную память ПЭВМ или регистратор информации, где производится обработка информации в зависимости от задач, решаемых в системе управления конкретным технологическим процессом (определяется диаметр заготовки, его приращение, скорость процесса формоизменения, форма заготовки по высоте). Результаты измерений и расчетов отображаются на экране.

Описанная выше система измерения прошла промышленное опробование в процессе гидрорастяжения заготовок на прессе усилием 300 МН (ПО "Уралмаш"). Ручным способом диаметр заготовки измеряли в трех сечениях по высоте заготовки в моменты остановки процесса гпдрорастяже-ния. Оптическая система измерений фиксировала только нижний диаметр заготовки. Сравнение результатов измерения свидетельствует о достаточно удовлетворительной точности оптической системы измерения.

Во время эксперимента не было отмечено влияние неблагоприятных цеховых условий (загрязнение атмосферы, вибрации) на результаты измерений оптическим методом.

В четвертой главе рассмотрены вопросы практической реализации автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок па гидравлическом прессе усилием 300 МН. Сформулированы необходимые условия однородного гидрорастяжения бандажного кольца; информационные и управляющие функции системы управления (сбор, обработка и хранение информации, получаемой с измерителей; определение начальных и текущих параметров геометрии заготовки; определение текущего значения деформации заготовки и предела текучести материала заготовки на сдвиг- контроль формы заготовки, окончания процесса гидрорастяжения, разгерметизации внутренней полости заготовки; вывод, отображение и регистрация основных параметров процесса ги-дрорастяжепия совместно с технологической и производственной информацией в цифровой и графической форме; автоматическое регулирование скорости движения траверсы по сигналам измерителей внешних диаметров для исправления формы заготовки и для обеспечения герметичности внутренней полости заготовки; формирование и выдача управляющих сигналов на окончание процесса гидрорастяжения).

Наличие в АСУ подсистем контроля технологических параметров процесса гидрорастяжения позволит осуществлять функцию защиты при неисправностях оборудования, разгерметизации внутренней полости и аварийном разрыве заготовки.

На рис. 4 изображена структурная схема предлагаемой автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок на гидравлическом прессе усилием 300 МН.

Блок-схема автоматизированной системы управления гидрорастяжением

кольцевых заготовок

Рис. 4.

В состав системы управления входят следующие блоки: 1 - устройство ввода информации (клавиатура); 2 - устройства вывода информации (дисплей и принтер); 3 - компьютер; 4 - таймер; 5 - блок сопряжения с исполнительными устройствами; 6 - блок сопряжения с датчиками; 7 - пульт управления прессом; 8 - тиристорный преобразователь; 9 - двигатель постоянного тока; 10 - тахогенератор; 11 - насос высокого давления; 12 - гидравлические рабочие цилиндры пресса; 13 - насосная станция сверхвысокого давления: 14 - объект управления - деформируемая заготовка; 15 - измеритель производительности насоса сверхвысокого давления; 16 - измеритель скорости движения подвижной траверсы пресса (производительность насоса высокого давления); 17 - измеритель высокого давления; 18 - измеритель сверхвысокого давления в полости заготовки; 19, 20, 21 - измерители внешнего диаметра заготовки соответственно в верхней, в средней и в нижней части заготовки; 22 - измеритель положения подвижной траверсы пресса.

Для измерения внешнего диаметра и формы кольцевой заготовки 14 используются три системы бесконтактного измерения размеров на основе светодальномеров (блоки 19, 20. 21 на рис. 4). Перед началом работы производится калибровка измерительных систем 19 ... 21, результаты которой сохраняются в компьютере 3. В процессе гидрорастяжения диаметр заготовки вычисляется в компьютере разностным методом на основании

текущих измерений расстояний от светодальномеров до поверхности заготовки и запомненных калибровочных значений.

Система управления может работать в одном из двух основных режимов управления: ручном или автоматическом. Кроме этого возможен дополнительный режим управления: информационно-советующий.

В режиме ручного управления оператор, руководствуясь показаниями датчиков, выводимыми на экран дисплея, осуществляет с пульта управления полный контроль за ходом процесса гидрорастяжения. В режиме автоматического управления осуществляется автоматическое управление скоростью движения подвижной траверсы пресса. Решение об изменении скорости траверсы и вычисление ее нового значения происходит на основании показаний датчиков и результатов функций контроля. В информационно-советующем режиме на основании показаний датчиков и результатов функций контроля вычисляется расчетное значение текущей скорости движения траверсы пресса, которое выдается оператору в качестве рекомендуемого значения управляющего параметра. Решение о необходимости изменения скорости движения траверсы и величине этого изменения осуществляется оператором, который вручную управляет процессом гидрорастяжения заготовки.

Алгоритм автоматического управления скоростью движения подвижной траверсы пресса приведен на рис. 5.

Основой алгоритма является математическая модель процесса гидрорастяжения. Используя данную математическую модель, на каждом шаге деформирования определяется текущее состояние заготовки (ее геометрические и механические параметры) по результатам текущих измерений и состоянию заготовки на предыдущем шаге.

В блоке 1 в математическую модель вводятся исходные данные для расчета текущего состояния деформируемой заготовки (размеры кольцевой заготовки на предыдущем шаге; механические свойства материала заготовки на предыдущем шаге; данные текущих измерений; размеры инструмента гидрорастяжения). Алгоритмическая модель процесса гидрорастяжения реализована в блоке 2.

В блоке 3 выполняется функция контроля формы кольцевой заготовки. При превышении разности внешних диаметров заготовки в средней и крайней ее частях определенного порогового значения, заданного при вводе в системы исходных данных, по результатам математической модели рассчитывается новое значение скорости движения траверсы пресса \г,'г (блок 8), которое должно устранить возникшее искажение формы заготовки, но формуле:

Блок-схема алгоритма автоматического управления скоростью движения

траверсы пресса

начало

_г_

/ввод текущих данных в математическую модель | : I

_Т__

! расчет деформируе м ого состояния заготовки по математической модели

С

/

1___

) значения \/т'

вычисление минимального давления необходимого для [ герметизации полости

4

Рис. 5.

где Т? — длительность периода сигнала Т2 таймера; Ак — разница текущего и предыдущего значения высоты нижней кромки фаски; — значение внутреннего диаметра фаски; в,2 — значение внутреннего диаметра заготовки в средней части; Дй2 — разница текущего и предыдущего значения внутреннего диаметра заготовки в средней части; 5а — вносимая разность внутренних диаметров; п — заданное количество шагов, необходимое для исправления искажения формы; а — угол конуса.

Здесь параметры геометрии заготовки получены по математической модели, вносимая разность внутренних диаметров вводится для получения небольшого принудительного бочкообразования при коррекции искажения формы (искажения типа "корсет" нежелательны, так как при их исправлении может произойти разгерметизация внутренней полости), коррекции искажения формы до величины вносимой разности рассчитывается на период в п шагов.

Если искажение формы отсутствует или находится в допустимых пороговым значением пределах, то новое значение скорости движения траверсы не вычисляется и оно остается равным своему значению на предыдущем шаге.

В блоках 4, 5 выполняется функция контроля давления в рабочих цилиндрах, необходимого для обеспечения герметизации внутренней полости заготовки. В блоке 4 по результатам математической модели и исходным данным рассчитывается необходимое минимальное значение давления в рабочих цилиндрах пресса. Величина минимального давления рты находится по формуле:

Рты~1гп и9

где 5П - площадь плунжеров рабочих цилиндров пресса; <1\ — наружный диаметр фаски; ¿2 — внутренний диаметр .фаски; <1иир — диаметр оправки; 5 — текущее измеренное давление во внутренней полости заготовки; Ртр — сила трения в уплотнениях конусов; Рт — усилие, компенсирующее вес подвижных частей пресса (траверсы, плунжеров, конусов и т.д.).

В блоке 5 сравнивается измеренное текущее давление в рабочих цилиндрах р с расчетным значением рга;„ . Если текущее значение оказывается меньше расчетного это означает, что усилия конусов уже недостаточно для надежного запирания жидкости сверхвысокого давления в полости заготовки и если не увеличить это усилие, то произойдет разгерметизация внутренней полости. Поэтому в блоке 9 происходит увеличение значения

(4

<£,„) +1,15 (<11-4)+ 4

р

2 ^тр

опр 100

+ рт

(17)

скорости движения траверсы по формуле:

= + (18) Р

где кр — задаваемый коэффициент пропорциональности.

В блоке 6 происходит запись полученных результатов расчетов в архив. В блоке 7 осуществляется регулирование скорости движения траверсы пресса в соответствии с полученным на данном шаге значением управляющего параметра.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана математическая модель процесса гидрорастяжения кольцевых заготовок на гидравлическом прессе, позволяющая определить деформированное состояние заготовки и описать связи между параметрами процесса. Основными управляющими параметрами процесса гидрорастяжения, определяющими характер формоизменения заготовки в процессе деформирования являются внутреннее сверхвысокое давление д и скорость движения траверсы пресса Ух- При соответствующей скорости \т-отслеживающей скорость раздачи заготовки (уменьшение высоты и увеличение внутреннего и внешнего диаметра заготовки) и правильном выборе величины ц обеспечивается равномерный процесс деформирования без искажения формы кольцевой заготовки и обеспечивается герметичность внутренней полости, заполненной жидкостью сверхвысокого давления.

2. По результатам математического моделирования процесса гидрорастя-жепия построена имитационная модель, которая предназначена для расчета и управления формоизменением кольцевых заготовок I) процессе их деформирования на специализированном гидравлическом прессе усилием 300 МН. Имитационная модель реализована в виде пакета компьютерных программ. Имитационная модель функционирует в двух режимах: "Обучение" и "Советчик". Адекватность имитационной модели была проверена в производственных условиях в процессе гндрорастяжения кольцевой заготовки на прессе усилием 300 МН (ПО "Уралмаш") под воздействием сверхвысокого давления, подаваемого во внутреннюю полость, и конусов.

3. Проведено исследование жесткости конструкции гидравлического пресса усилием 300 МН с целью определения величины относительного перемещения базовых деталей пресса в процессе нагружения пресса. Измерения проводились при работе пресса в режиме гндрорастяжения заготовок и в режиме предельного нагружения. В результате исследований выяснилось, что элементы конструкции пресса при работе смещаются в вертикальной и горизонтальной плоскостях и величины этих смещений

соизмеримы с допускаемой погрешностью измерения размеров и формы кольцевой заготовки.

4. Описана методика бесконтактного измерения размеров и формы кольцевых заготовок. Для измерения наружного диаметра заготовок предложен разностный светодальномерньш метод измерения. При использовании разностного метода измерений, отсутствует необходимость в привязке положения светодольномеров к конструктиву пресса, и, соответственно, значительно снижается влияние относительного смещения оси пресса в пространстве в процессе его нагружеиия.

5. Предложена система бесконтактного измерения размеров и формы кольцевых заготовок. Система измерения предназначена для автоматического бесконтактного измерения диаметра в трех точках по высоте образующей цилиндрической поверхности кольцевой заготовки непосредственно в процессе ее пластического деформирования, а также выдачи цифровой информации о диаметре и искажении цилиндрической формы для определения управляющих воздействий со стороны системы управления. Данная система измерения прошла промышленное опробование в процессе гидрорастяжения заготовок на прессе усилием 300 МН (ПО "Уралмаш"). Сравнение результатов измерения свидетельствует о достаточно удовлетворительной точности оптической системы измерения.

0. Разработан эскизный проект автоматизированной системы управления процессом гидрорастяження кольцевых заготовок на гидравлическом прессе усилием 300 МН. Сформулированы основные информационные и управляющие функции системы управления. В качестве регулирующего параметра процесса выбрана скорость движения подвижной траверсы пресса. Для измерения размеров и формы кольцевой заготовки используется описанная выше система бесконтактного измерения. Обработка информации с датчиков и управление технологическими параметрами процесса осуществляется с помощью компьютера.

7. Построен алгоритм управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок. Решение об изменении скорости движения подвижной траверсы и вычисление а; нового значения происходит на основании показаний датчиков и результатов функций контроля. Основой алгоритма является математическая модель процесса гидрорастяження.

8. Практическое; использование разработанной автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения заготовок бандажных колец сократит брак, даст экономию электроэнергии, улучшит условия труда и повысит безопасность обслуживающего персонала.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Готлиб Б.М., Пащенко М.А. Глава б: "Автоматизированные технологические комплексы для производства высокоточных полых деталей повышенной прочности методом гидроштамповки". / Готлиб Б.М. и др. "Автоматизированные кузнечно-прессовые комплексы (опыт создания и эксплуатации)",— г.Екатеринбург, УрГАПС, "Полиграфист", 1998.

2. Готлиб Б.М., Готлиб М.Б., Пащенко М.А. Технология производства деталей подвижного состава из алюминиевых сплавов. - "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта". Тезисы докладов III межвузовской научно-методической конференции. 4.1 — М., РГОТУПС, 1998.

3. Готлиб Б.М., Готлиб М.Б., Пащенко М.А., Васильева Г.В. Автоматизированные комплексы изотермического деформирования и гидроштамповки. - "Актуальные проблемы теории и практики обработки металлов давлением". Семинар "Научное наследие И.Я.Тарновского". — г.Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 1998.

4. Готлиб Б.М., Готлиб М.Б., Пащенко М.А. Система бесконтактного измерения размеров крупногабаритных деталей. — "Строительство и эксплуатация железнодорожного пути и сооружений". Сборник научных трудов, вып.6(88), — г.Екатеринбург, УрГАПС, 1998.

5. Готлиб Б.М., Пащенко М.А. Имитационное моделирование процесса гидрорастяжения кольцевых заготовок. — "Молодые ученые—транспорту", тезисы докладов научно-технической конференции. — г.Екатеринбург, УрГАПС, 1998.

6. Готлиб Б.М., Готлиб М.Б., Пащенко М.А. Технология производства корпусов букс из высокопрочных алюминиевых сплавов. — "Молодые ученые—транспорту", тезисы докладов научно-технической конференции. — г.Екатеринбург, УрГАПС, 1998.

7. Пащенко М.А. Автоматизация технологических процессов изготовления полых деталей. — "Железнодорожный транспорт—сегодня и завтра", тезисы докладов юбилейной научно-технической конференции. 4.2, — г.Екатеринбург, УрГАПС, 1998.

Редакционно-издательский отдел УрГАПС. 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, УрГАПС. Тираж 100, заказ 281, бесплатно.

г А;' # >

/'Х' ч-/ "" / • ^

МПС РФ

Уральская государственная академия путей сообщения

На правах рукописи

Пащенко Михаил Александрович

УДК 621.77.62-50

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ КОМПЛЕКСОМ ГИДРОРАСТЯЖЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК НА ГИДРАВЛИЧЕСКОМ ПРЕССЕ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор Б.М.Готлиб

Екатеринбург 1998 г.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 5

<и>

1. АНАЛИТИЧЕСКИМ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ГИДРОШТАМПОВКИ И ГИДРОРАСТЯЖЕНИЯ 13

1.1. Процесс гидроштамповки малогабаритных изделий . . ... 14

1.1.1. Классификация деталей, из^сЗ^дйЖёмых гидравлической штамповкой.............................22

1.1.2. Промышленное оборудование для гидравлической штамповки..................................25

1.2. Процесс гидрорастяжения крупногабаритных изделий ... 26

1.2.1. Описание технологического комплекса .., . .... 28

1.2.2. Инструмент гидрорастяжения . . . . .... . . .... 33

1.3. Анализ автоматизированных систем управления процессом

гидрорастяжения на гидравлическом прессе усилием 300 МН 36

1.3.1. Существующая система управления процессом гидрорастяжения .............. . . ...... 37

1.3.2. Система управления разработки ЦНИИТМАШ ... 57

1.3.3. Система управления разработки НИИтяжмаш .... 65

1.3.4. Проект усовершенствованной системы управления разработки НИИтяжмаш . .........................72

1.3.5. Сравнительный анализ систем управления...... 80

1.4. Основные результаты и выводы................. 83

о

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОМ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ГИДРОРАСТЯЖЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК НА ГИДРАВЛИЧЕСКОМ ПРЕССЕ УСИЛИЕМ 300 МН 85

2.1. Постановка задачи ........................ 85

2.2. Определение деформируемого состояния кольцевой заготовки 94

2.3. Имитационная модель процесса гидрорастяжения кольцевых заготовок .... .... >.................. 103

2.3.1. Структура имитационной модели............ 103

2.3.2. Реализация имитационной модели........... 105

2.3.3. Результаты имитационного моделирования...... 110

2.4. Результаты и выводы ... . . . . ................ 126

3. РАЗРАБОТКА БЕСКОНТАКТНОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК В ПРОЦЕССЕ ГИДРОРАСТЯЖЕНИЯ НА ГИДРАВЛИЧЕСКОМ ПРЕССЕ УСИЛИЕМ 300 МН 128

3.1. Исследование жесткости пресса усилием 300 МН...... 129

3.1.1. Методика исследования жесткости пресса ............129

3.1.2. Результаты исследований................................137

3.2. Система бесконтактного измерения геометрических размеров кольцевой заготовки . ................... . 158

3.2.1. Метод измерения ..................... 158

3.2.2. Описание системы бесконтактного контроля размеров заготовки ...... ................. 161

3.2.3. Опытное опробование системы измерения диаметра

заготовки на прессе усилием 300 МН ......... 164

3.3. Результаты и выводы....................... 170

о

4. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОМ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ГИДРОРАСТЯЖЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК НА ГИДРАВЛИЧЕСКОМ ПРЕССЕ УСИЛИЕМ 300 МН 172

4.1. Принципы построения и основные функции автоматизированной системы управления . .................. 172

4.2. Состав и структура АСУ . ................... . 175

4.3. Алгоритм работы системы управления ........... . 181

4.4. Результаты и выводы ....................... 196

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 197

Библиография 202

ПРИЛОЖЕНИЕ

213

ВВЕДЕНИЕ

Среди процессов обработки металлов давлением одними из наиболее важных являются процессы холодной штамповки, которые позволяют получать детали с наименьшими потерями металла. В последние годы получили развитие перспективные способы холодной штамповки с использованием высокого гидростатического давления [1, 2, 3].

Характерной особенностью таких процессов является использование жидкости высокого давления в качестве универсального формообразующего инструмента, что позволяет существенно упростить штамповую оснастку и снизить ее стоимость.

При гидравлической штамповке заготовками служат отрезки труб. Это дает возможность реализовать отходы трубного производства, которые обычно направлялись в переплавку. А конечным продуктом являются цельноштампованные полые изделия сложной пространственной формы. Иными способами цельноштампованные изделия в большинстве случаев не могут быть получены. Технологические процессы гидравлической штамповки являются малоотходными. Так, при изготовлении деталей типа тройников используется до 90% материала исходной заготовки, а объем их последующей механической обработки снижен до минимума.

Процессы гидравлической штамповки позволяют решать такие основные технологические задачи формоизменения трубных заготовок, как раздача, калибровка, формовка и изгиб.

Особенно эффективны подобные процессы для осуществления формообразующих операций. Известно, что предельные значения степеней деформации при обработке давлением зависят от схемы напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации. Замена одного из жестких инструментов жидкой средой благоприятно влияет на напряженно-деформированное состояние металла в течение всего процесса штамповки. При гидроштамповке создаются благоприятные схемы напряженно-деформированного состояния материала получаемых деталей, благодаря чему они отличаются высокой точностью и улучшенными эксплуатационными характеристиками [80].

Первые изобретения, описывающие использование гидростатического давления для пластического деформирования трубчатых заготовок, относятся к концу XIX в. С тех пор изобретательская деятельность в этом направлении не прекращалась [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. Основная часть изобретений относилась к различным способам производства полых деталей из трубчатых заготовок с использованием жидкости высокого давления в качестве деформирующей среды. Однако сведений о промышленном использовании этих способов до конца 50-х годов не имеется.

Разработанные в последние годы технологические процессы гидравлической штамповки полых деталей из трубчатых заготовок находят все более широкое применение в промышленности. Анализ тенденций развития малоотходных способов обработки металлов давлением в холодном состоянии показывает, что применение подобных процессов будет возрастать.

Вместе с тем, промышленное внедрение гидравлической штамповки осуществляется, как правило, в ограниченных масштабах и базируется, в основном, на результатах экспериментальных исследований, направленных на решение отдельных технологических задач.

Анализ процессов гидравлической штамповки позволяет выявить тех-

нологические особенности различных вариантов деформирования и определить для каждого варианта область рационального применения. Теоретические положения служат основой для расчета технологических параметров различных вариантов гидравлической штамповки.

Одной из важных частных задач гидравлической штамповки является гидрорастяжение кольцевых заготовок большого диаметра. При этом используется схема гидроштамповки без подпора наружной поверхности заготовки (без использования матрицы).

Гидрорастяжение используется при изготовлении бандажных колец для укрепления лобовых частей обмоток роторов турбогенераторов большой единичной мощности. Бандажное кольцо должно отличаться высокой прочностью и однородностью механических характеристик по окружности и не влиять на внутренние магнитные поля. Такими свойствами обладают кольца из аустенитной (немагнитной) стали, подвергнутые холодной пластической деформации. Для достижения требуемых величин пределов текучести и прочности степень пластической деформации может достигать 50-60% [96].

Известно несколько способов деформирования кольца с целью упрочнения металла. Наибольшее применение нашли два способа: раскатка на оправке и гидрорастяжение, осуществляемые на мощном гидравлическом прессе.

При раскатке на оправке деформация заготовки носит дискретный характер, что ведет к неоднородности механических свойств, неоднородности распределения остаточных напряжений по окружности и толщине стенки. В процессе раскатки возникают высокие напряжения в оправках, диаметры которых ограничены внутренним диаметром заготовки, и при большой длине заготовки напряжения могут превысить допустимые величины.

При гидрорастяжении заготовку устанавливают между вертикально расположенными конусами, связанными с подвижной траверсой и архитравом пресса, которые образуют замкнутую внутреннюю полость между внутренней поверхностью заготовки и наружной поверхностью оправки. Гидравлическое растяжение заготовки осуществляют путем подачи во внутреннюю полость жидкости под высоким давлением и сближения конусных втулок усилием пресса. Под действием давления жидкости происходит холодная пластическая деформация заготовки.

Для получения правильной геометрической формы заготовки и отсутствия утечек жидкости сверхвысокого давления необходимо согласованное движение конусов в зависимости от деформации заготовки. Заданные параметры движения конусов должны обеспечиваться на протяжении всего процесса растяжения. Нарушение согласованности между движением конусов и возникающей деформацией заготовки приводит к выпучиванию ("бочка") или развальцовке ("корсет") заготовки, к появлению трещин и, в отдельных случаях, вызывает их полное разрушение.

При ручном управлении процессом гидрорастяжения требуется высокая квалификация и большой опыт работы операторов, что все же не гарантирует работу без брака, а длительность процесса (до двух часов) вызывает большую утомляемость.

Исследования процесса гидрорастяжения показали сложность закона регулирования скорости конусов, его зависимость от начальных размеров заготовки и сопротивления деформации и его непостоянство для различных заготовок, что позволило сделать вывод о невозможности программного управления данным процессом [89].

Решить проблему управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок можно путем создания автоматизированной системы управления (АСУ) скоростью движения конусов или усилием пресса. АСУ позво-

лит поддерживать заданное значение регулируемого параметра, учесть изменение формы кольца (при наличии возмущающих факторов) и ограничить растяжение при достижении заданного внешнего диаметра.

Отсутствие бесконтактного датчика формы привело к необходимости разработки программных устройств и к появлению проекта с задающим блоком в системе управления.

Спроектированные в настоящее время системы управления относятся к следящим системам и должны поддерживать регулируемый параметр или параметр оптимизации процесса в соответствии с заданием, которое обеспечивает необходимое качество. Задание для регулирующего параметра изменяется в процессе растяжения по определенному закону. При этом использование упрощенных законов регулирования при гидрорастяжении (без коррекции) приводит к существенным погрешностям в работе системы управления и к появлению искажений цилиндрической формы бандажного кольца.

Таким образом, существующие разработки систем управления процессом гидрорастяжения не позволяют на основании принятого закона регулирования получить алгоритм обработки первичной информации или не имеют достаточно обоснованного закона регулирования.

Проблема измерения и контроля размеров и геометрической формы кольцевой заготовки непосредственно во время процесса гидрорастяжения не имеет пока удовлетворительного решения. Разработанные в настоящее время контактные датчики внешнего диаметра и разности диаметров обладают недостаточной точностью и малой надежностью и при разрыве заготовки в процессе растяжения выходят из строя. При этом работа в автоматическом режиме становиться невозможной и надо переходить на ручное управление.

Все это создало предпосылки для проведения исследований, напра-

вленных на обоснование выбора регулирующего параметра, разработку математической модели процесса гидрорастяжения кольцевой заготовки и алгоритма обработки первичной информации, обеспечивающего повышенную точность задания регулирующего параметра, и на решение проблемы бесконтактного измерения диаметра и формы деформируемой заготовки.

Основные направления исследований связаны с автоматизацией технологического процесса и повышением точности измерений размеров кольцевой заготовки непосредственно в процессе гидрорастяжения с учетом реальных условий и с разработкой на этой основе автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения.

Цель работы: повышение эффективности процесса гидрорастяжения кольцевых заготовок из немагнитной стали на основе совершенствования методов управления гидравлическим прессом.

Указанная цель актуальна и определяет следующие основные задачи, решаемые в этой работе: .

- сравнительный анализ проектных решений по разработанным системам управления гидрорастяжением кольцевых заготовок на гидравлическом прессе;

- построение математической модели процесса пластического деформирования кольцевой заготовки при гидрорастяжении на гидравлическом прессе;

- построение имитационной модели процесса гидрорастяжения;

- исследование конструктивной жесткости гидравлического пресса при рабочем нагручении;

- разработка способа бесконтактного измерения размеров и формы кольцевой заготовки в процессе гидрорастяжения;

— разработка структуры и алгоритма работы автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения кольцевых загото-

вок.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использовался аналитический метод построения математической модели пластического деформирования кольцевой заготовки методами механики твердого деформируемого тела. Построение имитационной модели процесса гидрорастяжения осуществлено методами математического моделирования технологических процессов. Конструктивную жесткость пресса исследовали экспериментальными методами, используя прецизионные геодезические приборы. Бесконтактная система измерения размеров и формы цилиндрической заготовки базируется на положениях теории измерения технологических параметров. При разработке структуры и алгоритма работы АСУ процессом гидрорастяжения использованы основные положения теории управления техническими объектами. Экспериментальная проверка достоверности принятых исходных положений и полученных теоретических выводов выполнена путем натурных исследований гидрорастяжения кольцевых заготовок на гидравлическом прессе усилием 300 МН.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— разработана математическая модель процесса гидрорастяжения кольцевых заготовок на гидравлическом прессе;

— построена имитационная модель процесса гидрорастяжения кольцевых заготовок на гидравлическом прессе;

— разработаны структура и алгоритм управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок на гидравлическом прессе.

К защите представляются следующие основные положения и выводы:

— математическая модель процесса гидрорастяжения кольцевых заготовок;

— имитационная модель процесса гидрорастяжения кольцевых заготовок;

— методика бесконтактного измерения диаметра кольцевой заготовки;

— структура автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок на гидравлическом прессе;

— алгоритм управления процессом гидрорастяжения.

По тематике диссертации опубликованы книга [102] и 7 статей [103, 104, 106, 105, 107, 108, 109]. Основные положения диссертационной работы докладывались на III межвузовской научно-методической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта" (М., РГОТУПС), на семинаре научное наследие И.Я.Тарновского "Актуальные проблемы теории и практики обработки металлов давлением" (г.Екатеринбург, УГТУ-УПИ), на II Всероссийской студенческой научно-технической конференции "Информационные технологии и электроника" (г.Екатеринбург, УГТУ-УПИ), на научно-технической конференции "Молодые ученые - транспорту" (г.Екатеринбург, УрГАПС), на международной научно-технической конференции "Железнодорожный транспорт - сегодня и завтра" (г.Екатеринбург, УрГАПС).

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Диссертация содержит 212 страниц, 47 рисунков, 12 таблиц и список литературных источников из 109 наименований.

Автор благодарен своему руководителю профессору, доктору технических наук Борису Михайловичу Готлибу за постоянное внимание и помощь в работе.

Глава 1.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ГИДРОШТАМПОВКИ И ГИДРОРАСТЯЖЕНИЯ

Гидравлической штамповкой (гидроштамповкой) называется процесс изменения формы трубчатой заготовки, при котором часть силовой схемы создается высоким гидростатическим давлением прикладываемым, как правило, непосредственно к внутренней или наружной поверхности заготовки. Жидкост�