автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.04, диссертация на тему:Научные основы проектирования и создания технологических линий и агрегатов для производства прецизионных композиционных металлических материалов

На правах рукописи

Г: Б ОД

ЗАРАПИН Александр Юрьезич

1 Ь МАЙ ¿бьи

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СОЗДАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ И АГРЕГАТОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРЕЦИЗИОННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.04.04 - "Машины и агрегаты металлургического производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена а Московском государственном институте стали и сплавов (технологическом университете)

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки Российской Федерации доктор технических наук, профессор Чиченев H.A.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Никитин Г.С. доктор технических наук, профессор Сопилкин Г.В. доктор технических наук, профессор Чернышев В.Н.

Ведущее предприятие:

ОАО "ИН-Т ЦВЕТМЕТОБРАБОТКА"

Защита состоится "11" мая 2000 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 063.07.01 при Московском государственно!» вечернем металлургическом институте по адресу:

111250, Москва, Лефортовский вал, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "10" апреля 2000 г.

Справки по телефону: (095) 361-14-43.

Ученый секретарь диссертацио-------------

Кандидат технических наук

К391. 91-С>,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие металлургии в настоящее время характеризуется ростом производства композиционных металлических материалов, обладающих комплексом ценных свойств, которые позволяют одновременно обеспечить высокую прочность и пластичность, вакуумную плотность, сопротивление коррозии и электрической эрозии, электропроводность и теплопроводность и др.

Широкое применение в микроэлектронике, радиотехнике, электротехнике при конструировании прецизионных приборов нашли многослойные материалы с составляющими из никеля и его сплавов (ковара, фени и др.) и композиции с медными покрытиями.

Обработка давлением металлов и сплавов, входящих в состав рассматриваемых композиционных материалов, осложняется высокими температурами их плавления и склонностью к окислению и газонасыщению. Для осуществления их совместной деформации необходимо исключить или максимально затруднить их взаимодействие с активными газами воздуха, что требует создания специальных методов защиты. Наиболее эффективным способом защиты металлов и сплавов от окисления и гаэонасыщения в процессах их обработки является создание специального оборудования, позволяющего производить все операции - нагрев, пластическую деформацию, охлаждение и термообработку - в вакууме или в средах регулируемого состава.

Наряду с этим в нашей стране и за рубежом разрабатываются новые высокоэффективные технологические процессы обработки композиционных металлических материалов, сочетающие пластическую деформацию с воздействием электрических и магнитных полей, ультразвуковых колебаний и других физических эффектов. Получение высококачественных многослойных ленточных и проволочных материалов возможно путем электропластической деформации на прокатном оборудовании с пропусканием электрического тока через валки и прокатываемый материал или электроконтактным нагревом движущейся заготовки непосредственно перед очагом деформации.

В связи с этим возникает необходимость создания высокопроизводительного оборудования для производства композиционных металлических материалов. Этому требованию отвечает непрерывный процесс

получения многослойных лент и проволоки, включающий последовательно t технологические операции от подготовки и прокатки монометалличес» заготовки до получения многослойного продукта. Этот процесс являе-многостадийным и требует применения целого ряда технологических arpera-различного назначения, объединенных в единую непрерывную линию - систему Анализ известных технологических комплексов для производс многослойных композиций показал, что для рассматриваемых в раб( материалов они не обеспечивают высокого качества соединения составляют точности геометрических размеров и требуемых служебных характерна связанных со спецификой их применения.

Поэтому разработка научных основ проектирования и созда| технологических линий и агрегатов для производства многослойных ленточны проволочных металлических материалов является актуальной задачей, кото| имеет важное народнохозяйственное значение и вносит значительный вкла, ускорение научно-технического прогресса.

Исследования выполнялись в соответствии с межвузовской науч технической программой "Металл", программой "Высокие технологии выси школы", госзаказом министерства электронной промышленности СССР на 1S 1990 гг., государственной научно-технической программой 'Технологии, машин производства будущего", конкурсами грантов в области фундаменталы проблем металлургии и машиностроения, планами госбюджетных Hayt исследовательских работ МИСИС.

Цель и задачи работы. Создание технологических линий и arpera непрерывного производства прецизионных композиционных металличес материалов для современных отраслей науки и техники на базе разви теоретических основ их проектирования и математического моделирования. Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи: • проанализировать и систематизировать современные технологи!, оборудование для • производства композиционных металлических материа) обобщить опыт работы ведущих проектно-конструкторских и нау* исследовательских организаций и сформулировать основные принц проектирования технологических линий и агрегатов;

• разработать научные основы проектирования технологических линий и агрегатов с использованием объектно-ориентированного подхода и многоуровневой структуры базы знаний;

• разработать универсальную методику расчета и проектирования вакуумных систем технологического оборудования с применением научного конструирования и баз данных;

• на основе проведенных исследований разработать технологические линии для производства многослойных ленточных и проволочных материалов с использование электроконтакгного нагрева, электропластической деформации и сред контролируемого состава;

• математическим моделированием исследовать влияние технологических факторов на состав оборудования линий и конструктивные параметры отдельных агрегатов;

• провести опытно-промышленные испытания спроектированного и модернизированного оборудования технологических линий .

Научная новизна.

1. Разработана система управления процессом проектирования технологических линий и агрегатов для производства прецизионных композиционных металлических материалов, которая основана на анализе и обобщении опыта работы ведущих проектно-конструкторских организаций РФ и использовании системных принципов проектирования.

2. Впервые для создания линий и агрегатов предложено использовать объектно-ориентированный подход, согласно которому по заданной или разработанной технологии строят функциональную схему работы и объектно-ориентированную модель, являющиеся научной основой для создания технологической схемы линии и выбора из базы данных или конструирования конкретных агрегатов.

3. На основе систематизации и классификации технологических процессов установлены основные обобщенные операции, оказывающие определяющее влияние на качество композиционного материала: непрерывная подача составляющих, подготовка их поверхностей к соединению, предварительное и окончательное соединение; разработаны обобщенные функциональная схема работы и объектно-ориентированная модель линии.

4. Предложена многоуровневая структура базы знаний, которая д; конкретного композиционного материала включает комплекс функциональж схем, объектно-ориентированных моделей, модулей и агрегатов.

5. Впервые разработана универсальная инженерная методика расче низко-, средне- и высоковакуумных систем технологического оборудования Д| производства композиционных металлических материалов. Paзpaбoтa^ алгоритмы расчета вакуумных систем, выбора вакуумных схем, типов вакуумж насосов и конструкционных вакуумных элементов с использованием создана базы данных "Вакуумные системы".

6. Разработаны функциональная схема работы и объектн ориентированная модель линии для получения прецизионных композиционж проволочных материалов, которые использованы при создании технологи выбора состава оборудования с применением баз данных и научно конструирования модулей линий для производства платинитовой круглой молибден-медной прямоугольной проволоки.

7. На основе совместного решения уравнений теории волочени закономерностей контактного трения и вакуумной техники разработаь математические модели узла ввода сердечника в рабочую вакуумную камеру вывода платинитовой проволоки, выполненных в виде совокупное последовательно расположенных фильер. В результате имитационно моделирования установлено количество вакуумных камер, оптимизирова распределение в них давлений и определено количество фильер в кажде герметизирующем блоке.

8. Разработаны функциональные схемы работы и объектн ориентированные модели линий для получения многослойных ленточж материалов, которые использованы при создании технологии, выбора со ста: оборудования с применением баз данных и научного конструирования модул( линий для производства трехслойных лент из никеля и его сплавов, композиц! "металл - металлокерамика", биметалла "алюминий - нержавеющая сталь" полос с газотермическими покрытиями из никеля.

9. Разработаны математические модели линий электропластическ< прокатки многослойных проволочных и ленточных материалов с управляемь электроконтактным нагревом, основанные на решении системы неоднородж дифференциальных уравнений теплопроводности и реализованные в в и;

прикладных компьютерных программ. Получены закономерности изменения температурного поля на всех участках технологической линии, которые использованы при обосновании состава оборудования, схем подачи электрического тока и определения расстояний между модулями в зависимости от температурного режима нагрева составляющих композиционного материала.

10. Имитационным моделированием линии для производства прецизионной молибден-медной прямоугольной проволоки установлено, что при плющении круглой проволоки следует применять электроконтактный нагрев, а при прокатке прямоугольной - электропластическую деформацию.

11. Показано, что для повышения качества многослойных лент в технологической линии необходимо применение модуля предварительного соединения основы с плакировками для герметизации контактирующих поверхностей с целью защиты зон схватывания от окисления. В результате анализа возможных вариантов управления процессом нагрева трехслойных лент установлено, что наиболее приемлемыми на практике являются два варианта: одновременный нагрев плакировок и основы или нагрев только основы.

12. Разработана имитационная модель линии для получения композиционных материалов типа "металл - металлокерамика", основанная на кинетике образования связей при диффузионном взаимодействии металлов. Экспериментально-аналитическим способом получены зависимости коэффициентов и периода активации диффузии от температуры для композиций "железо - молибден", "железо - никель" и "никель - ковар".

13. Математическим моделированием обосновано применение электроконтактного нагрева обеих составляющих биметалла "алюминий -нержавеющая сталь" и даны рекомендации по выбору технологических параметров нагрева и деформации, а также для определения расстояний между элементами агрегата и выбора электрооборудования, обеспечивающего подачу требуемого электрического тока.

14. В результате исследований технологического процесса производства термобиметаллических полос установлено, что перед прокаткой необходимо проводить дегазацию полосы с газотермическим покрытием в специальном низковакуумном модуле, для которого разработаны функциональная схема работы и методика расчета и проектирования.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. С применением математического моделирования разработае технологическая линия для непрерывного производства проволоки из платинита повышенной вакуумной плотностью. Создан промышленный образец моду; деформирования и сварки.

2. Разработан технологический комплекс для производства трехслойнь полос с составляющими из никеля и его сплавов злектропластическс деформацией в сочетании с электроконтактным нагревом. Выбран состг оборудования с применением баз данных и научного конструирования.

3. Результаты исследований использованы: при модернизации стан МАМП для уточнения электрических параметров, обеспечивающих полученк требуемой температуры в очаге деформации, и корректировки скорости прока™ и режимов обжатий; при создании плющильного стана конструкции ОКБМ дг определения расстояний между токоподводящей фильерой и осью прокатнь валков и выбора электрооборудования для подачи требуемого эле.ктрическо[ тока при апектроконтактном нагреве и электропластическом деформировании

А. На основе комплекса экспериментальных и теоретичесю исследований разработана технологическая линия для непрерывно! производства полос с газотермическими покрытиями из цветных металлов сплавов повышенной пластичности без снижения производительности пр переходе с одной толщины полосы на другую, которая позволяет получат монолитные по своей структуре покрытия заданной толщины, обладающк высокими когезионными и адгезионными характеристиками.

5. Разработаны рекомендации по совершенствованию агрегата прокати алюминиевой ленты, плакированной нержавеющей сталью, путем замен вакуумного отжига ленты нержавеющей стали на высокоскоростнс электроконтактный нагрев. Для повышения качества биметаллической ленты состав агрегата предложено введение камеры выравнивания температуры п ширине алюминиевой ленты, для определения длины которой выведен расчетная формула.

6. На основе объектно-ориентированного подхода и результате имитационного моделирования спроектирована линия для получения материал "металл - металлокерамика". Испытания отдельных модулей линии, выбранных V

разработанных баз данных, подтвердили правильность выбранных технологической схемы и состава оборудования линии.

7. Лабораторные и опьггно-промышленные исследования с применением методов планирования экспериментов показали, что созданная технологическая линия обеспечивает получение прецизионной биметаллической ленты (прямоугольной проволоки) с высоким качеством соединения составляющих и равномерным распределением тонкого медного слоя по периметру молибденового сердечника; даны рекомендации по технологическим параметрам процесса электропластической деформации с электроконтактным нагревом, которые использованы при разработке ТУ на прецизионную молибден-медную прямоугольную проволоку.

8. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, методики расчета и проектирования явились научной базой для разработки новых технических и технологических решений, использование которых на ряде ведущих предприятий промышленности (ПО "Кристалл", ВНИИМЭТ, ОАО ВИЛС и др.) обеспечило создание агрегатов и линий для непрерывного получения прецизионных композиционных металлических материалов, привело к повышению выхода годного и снижению брака, позволило отказаться от оборудования и материалов импортной поставки и дало значительный технико-экономический эффект.

9. Методики и алгоритмы проектирования технологических линий и агрегатов, разработанные в процессе выполнения диссертации, применяется в проектно-конструкторских организациях РФ и стран СНГ (КБ ВИЛС, ОКБМ, ИЭС им. Е.Патона, ОКБ "Луч", ВНИИМЕТМАШ, ГИПРОЦМО и др.). Разработки автора использованы при выполнении ряда научно-исследовательских и диссертационных работ лаборатории ППДУ и кафедр МАМП и ОМД Московского государственного института стали и сплавов.

10. Теоретические положения, методики и алгоритмы, представленные в диссертации, используются в учебном процессе специальности 1703 "Металлургические машины и оборудование" вузов РФ (МИСИС, МГВМИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ЛГТУ, НИИ, СКГТУ и др.) по дисциплинам "Расчет и проектирование механизмов и систем технологического оборудования", "Конструирование машин и оборудования металлургического производства" и

"Проектирование цехов, технологических линий и аппаратных комплексов", а также при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на расширенных семинарах кафедры "Машины и агрегаты металлургически* предприятий" МИСИС (Москва, 2000 г., 1398 г.), научном семинаре кафедрь 'Технологические машины и оборудование" СКГТУ (Владикавказ, 2000 г.), Ш-еи международном конгрессе прокатчиков (Липецк, 1999 г.), международных научно технических конференциях «Вопросы проектирования и эксплуатации технически) систем в металлургии, машиностроении и строительстве» (Старый Оскол, 1999 г. и "Информационные технологии в производственных, социальных ь экономических процессах" (Череповец, 1999 г.), объединенном семинар« лабораторий НПО-2 ВИЛ С (Москва, 1999 г.), региональной научно-техническо( конференции НИИ (Норильск, 1999 г.), всесоюзных научно-технически; конференциях "Опыт производства и применения металла с покрытиями (Запорожье, 1988 г.) и "Задачи технического перевооружения листопрокатной производства" (Днепропетровск, 1987 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в брошюрах, 31 статье, 4 учебных пособиях для вузов и 3 авторских свидетельства на изобретения.

Объем работы. Диссертация изложена на 463 страницах машинописног текста, состоит из введения, пяти глав и выводов, содержит 117 рисунков, 1 таблиц, список использованных источников из 130 наименований и 4 приложения

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Благодаря достижениям в области физики твердого тела, металловедем и обработки металлов давлением, создан новый класс конструкционнь материалов - композиционные материалы, состоящие из двух и боле композиций. При производстве и применении этих материалов стремят! использовать лучшие качества отдельных составляющих с целью получен! новых физико-механических свойств, которые не могут быть получены однородном материале.

Широкое применение при конструировании приборов электронной техники нашли многослойные материалы с составляющими из никеля и его сплавов (ковара, фени и др.) и композиции с медными покрытиями. В данной работе рассмотрены композиции, для которых отсутствовали хорошо отработанные технологии и промышленное оборудование: ленты биметаллические (термобиметаллы, алюминий - нержавеющая сталь) и многослойные (никель -ковар - никель); проволока круглая (платинит) и прямоугольная (молибден-медь).

Отечественные ученые (Бринза В.Н.. Голованенко A.C., Казаков Н.Ф., Каракозов Э.С., Кобелев А.Г., Колмогоров В.Л., Король В.К., Кузнецов Е.В., Лукашкин Н.Д., Шоршоров М.Х. и др.) показали, что для получения композиционных металлических проволочных и ленточных материалов наибольшее распространение получили способы их производства в твердой фазе с применением холодной или высокотемпературной пластической деформации.

Обработка давлением металлов и сплавов, входящих в состав рассматриваемых композиционных материалов, осложняется высокими температурами их плавления и склонностью к окислению и газонасыщению. Наиболее эффективным способом защиты металлов и сплавов от окисления и газонасыщения в процессах их обработки является создание специального оборудования, позволяющего производить все операции - нагрев, пластическую деформацию, охлаждение и термообработку - в вакууме или в средах регулируемого состава. Наибольший вклад в решение указанной проблемы внесли ученые МИСиС (Зарапин Ю.Л., Крупин A.B., Чернышев В.Н. и др.) и ВНИИМЕТМАШ (Серебрянников A.M. и др.). Наряду с этим в нашей стране и за рубежом разрабатываются новые высокоэффективные технологические процессы обработки композиционных металлических материалов, сочетающие пластическую деформацию с воздействием электрических и магнитных полей, ультразвуковых колебаний и других физических эффектов. Получение многослойных высококачественных ленточных и проволочных материалов возможно путем электропластической деформации на прокатном оборудовании с пропусканием электрического тока через валки и прокатываемый материал или электроконтактным нагревом движущейся заготовки перед очагом деформации (Пасечник Н.В., Чиченев H.A., Карелин Ф.Р. и др.).

В связи с этим возникает необходимость создания высокопроизводительного оборудования для производства композиционных

металлических материалов. Этому требованию отвечает непрерывный процесс получения многослойных лент и проволоки, включающий последовательно все технологические операции от подготовки и прокатки монометаллической заготовки до получения многослойного продукта. Этот процесс является многостадийным и требует применения целого ряда технологических агрегатоЕ различного назначения, объединенных в единую непрерывную линию - систему.

Как показал критический анализ научно-технической и патентной литературы, в которой рассматриваются проблемы создания машин и агрегатоЕ для производства композиционных металлических материалов, перспективным направлением является разработка высокоэффективного оборудования для прецизионных металлургических и физико-химических технологий, широкс применяемых в современных отраслях науки и техники, на мини-заводах V предприятиях малой металлургии и электронной промышленности.

2. РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ И АГРЕГАТОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Проектирование технологических линий и агрегатов для производств: композиционных материалов основано на системном подходе, применение которого на практике тесно связано с методологическими принципами построени! систем: максимальной эффективности функционирования системы, типоэост! решений, обеспечение возможности развития системы и др.

Поскольку технологические линии (и агрегаты) являются сложным! системами, то процесс их проектирования представляет совокупност! взаимосвязанных решений, каждое из которых зависит не только от решений принятых на предыдущих этапах, но и от возможного влияния на последующи! этапы проектирования. Кроме того, на каждом этапе проектирования лини! возникает большое количество возможных решений, в результате чеп практически невозможно проанализировать всю совокупность возникающи вариантов. Следовательно, процесс проектирования линии нельзя представить I виде последовательности независимых друг от друга этапов, и поэтому методик; проектирования должна предусматривать возможность систематического оперативного корректирования или пересмотра принимаемых решений.

На основе анализа работ отечественных ученых (Целикова А.И., Ефименко С.П., Зюзина В.И., Полухина П.И., Потапова И.Н., Романцева Б.А. и др.) и обобщения опыта разработки и создания металлургического оборудования ведущих проектно-конструкторских организаций России (ВНИИМЕТМАШ, ВИЛС, ГИПРОЦМО, ПО "ГРАНАТ", ОКБ "Луч" и др.) осуществлена систематизация основных принципов проектирования технологических линий и агрегатов, применение которых обеспечивает получение наилучших конструкторско-компоновочных решений. Показана перспективность создания металлургического оборудования на базе агрегатно-модульного принципа построения.

Разработаны методика и алгоритм проектирования технологических линий и агрегатов для производства композиционных металлических материалов, которые основаны на использовании разработанных системных принципов проектирования (рис. 1). Применение методики показало высокую эффективность при разработке вакуумного оборудования и технологических линий для производства композиционных проволочных и ленточных материалов.

При построении системы проектирования технологических линий и агрегатов для производства прецизионных композиционных металлических материалов нами впервые применен объектно-ориентированный подход, который основан на следующих основных положениях: 1) в качестве элементов системы проектирования используются объекты, а не алгоритмы; 2) каждый объект проектирования можно отнести к определенному классу объектов; 3) классы объектов проектирования организованы иерархически.

Для разработанной системы характерно использование в качестве исходной информации технических требований к создаваемому объекту и знаний о методах его расчета и проектирования, основанных на функциональном назначении объекта. Поскольку в таких системах в явном виде присутствует банк (или база) знаний, то на некоторых этапах проектирования становится возможным принимать решения без непосредственного участия пользователя.

Функциональная структура системы проектирования, основанной на объектно-ориентированном подходе, представлена на рис. 2. На схег>" в прямоугольниках показаны выполняемые операции, а в кружочках приведены их результаты. Система проектирования содержит три основных подсистемы: 1) подсистема специалиста-эксперта; 2) подсистема пользователя; 3) интерактивная компьютерная подсистема.

Блок-схема алгоритма проектирования технологических линий для производства композиционных металлических материалов

-*С Конец ")

Рис. 1

Функциональная структура системы проектирования, основанная на объектно-

ориентированном подходе

Осуществлена систематизация информационных исследований по производству прецизионных композиционных металлических материалов, что позволило выделить основные обобщенные операции, которые оказывают определяющее влияние на геометрические, физико-механические и служебные характеристики рассматриваемых материалов: непрерывная подача составляющих, подготовка поверхности составляющих к соединению, предварительное и окончательное (прочное) соединение составляющих. Разработаны классификации основных технологических процессов (подготовки составляющих к соединению, соединение составляющих) по совокупности классификационных признаков. Достоинством предложенных схем является одновременный учет разнообразных характеристик процесса, возможность их дальнейшего развития и уточнения количества уровней и отдельных элементов. Схемы классификации позволяют реализовать методику проектирования машин и агрегатов для производства композиционного материала на основе формирования типовых технологических решений и оборудования, которые соответствуют основным процессам обработки металлов давлением.

На основе выбранной или заданной технологии строится функциональная схема работы линии, которая показывает не только необходимую совокупность и последовательность технологических операций, но и применяемое при этом технологическое оборудование (см. рис. 15). Функциональная схема работы линии представляет собой ориентированный граф, вершинами которого являются обобщенные технологические операции, дугами (ребрами) - входные и выходные состояния обрабатываемого материала, дополнительными линиями - связи каждой обобщенной операции с соответствующими подсистемами, модулями и агрегатами технологического оборудования. Ее построение базируется на разработанной классификации основных технологических процессов.

На следующем уровне решается проблема создания объектно-ориентированной модели технологической линии, которая представляет собой многоуровневый ориентированный "И - ИЛИ - граф", не имеющий циклов (см. рис. 5). С помощью этой модели решаются вопросы выбора соответствующих агрегатов (машин, механизмов, устройств и т.п.), при этом возможны три основных случая: необходимое оборудование можно выбрать из базы данных, выбранное с помощью базы данных оборудование нуждается в модернизации, оборудование необходимо создавать заново (рис. 3).

Иерархическая «И-ИЛИ» схема проектирования технологических линий и агрегатов для производства прецизионных композиционных металлических материалов;

белым кружочком обозначена операция «11Л'И», черны/ - «VI».

Рис.

Структура баз данных технологических линий для производства прецизионных композиционных металлических материалов

Новая 00М

ООМ-2

СОПИ

Новый Модуль

Модуль-Мм

Модуль-2

г Ваза данных по ч^ модулям линии /

Модуль-1

Методика проектирования объектно-ориентирован ных моделей

Методика проектирования различных модулей линии

О)

Новый агрегат

Агрегат-

База данных по агрегатам линии

Агрегат-2

Агрегат-1

Методика проектирования агрегатов, машин и устройств

Впервые разработаны обобщенные функциональная схема работы и объектно-ориентированная модель пинии для производства композиционных металлических материалов, которые использованы при проектировании технологических линий и оборудования для производства платинитовой проволоки, плющеной медно-молибденовой ленты, биметаллической полосы "алюминий - нержавеющая сталь", многослойной композиции "ковар -псевдосплав - ковар - металлокерамика 22ХС", термобиметаллической полосы.

Предложена многоуровневая структура базы знаний по технологическим линиям для производства прецизионных композиционных металлических материалов, которая для конкретного материала включает наборы функциональных схем, объектно-ориентированных моделей, модулей и агрегатов База знаний является открытой, благодаря чему обеспечивается постоянное пополнение новыми данными о функциональных схемах, объектно-ориентированных моделях, модулях, агрегатах, новых методиках расчета и проектирования. Для повышения эффективности объектно-ориентированных моделей разработана классификация технологических линий для производства композиционных металлических материалов. При этом выбор или создание новых машин и агрегатов базируется на широком использовании баз данных.

Принципиальная сложность построения функциональной схемы работы линии для производства композиционного материала состоит в том, что технология его получения существенно зависит от многих факторов: физико-химических свойств и механических характеристик составляющих, количества и толщины (диаметра) отдельных слоев, исходного состояния поверхностей и др. Поэтому при разработке обобщенной функциональной схемы нами использованы указанные выше наиболее существенные технологические операции.

Из анализа разработанных обобщенных функциональной схемы работы и объектно-ориентированной модели линии установлено, что основными модулями, которые имеют место в подавляющем большинстве известных непрерывных способов получения рассматриваемых композиционных материалов, являются следующие: модуль непрерывной подачи составляющих, модуль подготовки поверхности составляющих к соединению, модуль предварительного соединения составляющих, модуль прочного соединения составляющих. Так как в процессе производства рассматриваемых в работе материалов некоторые операции осуществляются в среде контролируемого состава, то введен пятый модупь,

включающий вакуумную систему. В состав модуля входят различные машин! агрегаты, устройства и механизмы, которые выполняют одну из основнь технологических операций.

Нами предложена структура базы знаний по технологическим линиям д. производства прецизионных композиционных металлических материалов (рис. ■ Каждая объектно-ориентированная модель (ООМ) линии содержит определена набор модулей, который в свою очередь состоит из совокупности агрегак После построения функциональной схемы работы линии из базы данн выбирается соответствующая ей объектно-ориентированная модель, наприм ООМ-1. Если подходящей модели нет, то с помощью изложенной выше метода проектирования осуществляется создание новой объектно-ориентированн модели (обычно путем модернизации одной из известных моделей, взятой прототип), которая потом заносится в базу данных по ООМ. Для выбранной 0( определяются модули и агрегаты, обеспечивающие выполнение задан)-технологических операций. Если какой-либо модуль (или агрегат) в базе дань отсутствует, то осуществляется его разработка с помощью соответствую!! методики проектирования, заложенной в базе знаний; после чего он та| заносится в базу данных. В ряде случаев, особенно при создании принципиал! новых технических решений, методика проектирования может отсутствоа; тогда приходится разрабатывать соответствующую методику расчета проектирования, а при необходимости проводить научно-исследовательски опытно-конструкторские работы.

Таким образом, на базе совокупности описанных выше разработо полученных выше результатов - принципы и методика проектирования линк агрегатов, схемы классификации линий и основных технологических процес обобщенная функциональная схема работы и объектно-ориентированная мо£ линии, многоуровневая структура знаний и др. - созданы научные осн проектирования технологических линий и агрегатов для изготовле прецизионных композиционных металлических материалов.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Вакуумное технологическое оборудование находит широкое применение при производстве прецизионных композиционных металлических материалов, что связано с повышением требований промышленности к их качеству и с необходимостью разработки новых материалов, обладающих заданным комплексом физико-механических и служебных свойств. Оно предназначено для проведения физико-химических и технологических процессов в вакууме или контролируемой газовой среде, для изоляции технологических процессов от воздействия окружающей атмосферы или для создания особых условий при проведении экспериментов.

На основе систематизации информационных исследований разработана классификация вакуумного оборудования по совокупности классификационных признаков: назначение, глубина вакуума, вид физико-химического или технологического процесса и др. Достоинством схемы классификации является ее универсальность и возможность проектирования вакуумного оборудования на основе формирования типовых технических решений и выбора машин и агрегатов из соответствующих баз данных.

Нами предложена обобщенная функциональная схема работы вакуумной системы технологического оборудования для получения композиционного материала. Она включает несколько функциональных блоков, обеспечивающих выполнение определенных операций: герметизацию рабочего пространства, вакуумирование рабочей зоны, создание среды заданного состава. Для осуществления указанных процессов в вакуумную систему включены три подсистемы: рабочая вакуумная камера, модуль откачки и модуль напуска газов. Поскольку вакуумная система используется для реализации физико-химических и технологических процессов, то ее состав дополнен соответствующими модулями и устройствами: деформирующим оборудованием, агрегатом зачистки, установкой диффузионной сварки и др.

Для создания эффективной системы проектирования разработана объектно-ориентированная модель вакуумной системы, представленная на рис.5. Она включает в себя три основных уровня: сборочные единицы, узлы и детали. В качестве сборной единицы принята вакуумная система в целом, являющаяся

Сборочная единица

Объектно-ориентированная модель вакуумной системы

[""вакуумная с и с Т Е1-1Д~1

Рабочая камера

Смотровое

Вакуумно-откачной пост

Крышки

Корпус

Вакуумная 3 л юр пая армл>ра

Злгаор "[

Кпиин I

Вакуумт.)^ насос

Влкууъшля лйв>гик-а

Вдк>умниА Тр) боировод

Контрольно-измерительная аппаратура

кППом^ичссяш п рсо С раю в .»тел ь

Манометр |

Система напуска газов

о1>Ъ<М и некого дшкиия

¡Газовый баллон» -1

Детали

(СУижцА! ^

е

\(ФпансиР1

ЙЙ-Г"

- ( ФллкиП) —

|| Фланец Р-Г)) 1 (^ЬлдлсиУЗ^)—1 ^ФлтсиРб^—

А ТЬ/* ' гф

-^ПлрхроГ"^

ЕЪдао у-

Г > >

С Дно > ^ (К ИИВ.ШЛ^^

—

( Корпус у—

^ Ойгюрдтир^--

- -^укшец I Пл)—

^ Корпус -

( Обечайка

'^'-(ймм)-

-СЗ^ШЗь-

с! -^¡ГистПТ))-

С

( Седло ( Иста

К) О

А- ф:ш!сц откачиой, В- флщеи ншеритешшй, С- ф.ин«и кк^ Ck.noй; О- фланы смотровой; Е-фланеитаимогпческиИ. Р- флалсл прлсосдшпжльиыЛ.

Рип 5

самостоятельным модулем технологического оборудования. К основным узлам вакуумной системы относится: рабочая камера, вакуумно-откачной пост, контрольно-измерительная аппаратура и система напуска газов. Каждый из узлов имеет определенное количество подузлов. Штриховыми линиями показаны связи между деталями различных узлов вакуумной системы. При проектировании вакуумных систем технологического оборудования все стандартные и унифицированные детали и узлы выбираются из баз данных.

Проведенный анализ показал, что в настоящее время нет единой методики расчета вакуумных систем, а имеющиеся сведения носят разрозненный характер. С целью создания оптимальных вакуумных систем нами разработана универсальная инженерная методика расчета низко-, средне- и высоковакуумных систем технологического оборудования для производства композиционных металлических материалов. Разработаны алгоритмы расчета вакуумных систем, выбора вакуумных схем, определения типов вакуумных насосов и конструкционных вакуумных элементов с использованием баз данных.

Расчет вакуумной системы проводят в два этапа (рис. 6). При выполнении проектировочного расчета сначала осуществляют выбор типовой вакуумной схемы в зависимости от глубины вакуума. Затем выбирают вакуумные насосы по следующим условиям (рис. 7):

8н>к-0/рР, РПр<Рр/к,

где Эн - номинальная быстрота действия вакуумного насоса, м3/с; к - коэффициент использования насоса; О - поток газа, поступающий в вакуумную камеру, м3 Па/с; Рр - рабочее давление в вакуумной камере, Па; рпр - предельное давление насоса, Па.

Последним этапом проектировочного расчета является определение конструктивных размеров элементов вакуумной системы, при этом длины трубопроводов выбирают конструктивно, пользуясь компоновочной схемой. Расчет проводимостей отдельных элементов вакуумной системы выполняют по стандартным формулам из справочной литературы, исходя из определенного режима течения газа. По вычисленной проводимости и известной длине трубопровода определяют его диаметр. Различные элементы вакуумной системы (клапаны, затворы и др.) выбирают из баз данных.

Порядок расчета вакуумной системы

Рис. 6

Порядок выбора вакуумных насосов

Рис. 7

После проведения проектировочного расчета проводят проверочный расчет, который сводится к определению газовыделения и расчету распределения давлений. Стационарный поток газа из вакуумной камеры О имеет несколько составляющих:

С^Ок+Он + От + О,,, где О* - газовыделение элементов конструкции камеры, Он - натекание через оболочку камеры, От - технологическое газовыделение, Оп - проницаемость материалов, м3Па/с. Формулы и таблицы для расчета составляющих газового потока приведены в литературе и занесены в разработанную базу знаний.

Давление в сечениях между элементами участка вакуумной системы определяют следующим образом:

Р<к = Рпр., + 0/3« + СЩ</ , где (рПр.1 + О/Бш) - давление во входном сечении вакуумного насоса; (СИЛ,,! -повышение давления на к-м элементе 1-го участка вакуумной системы. Рассчитав распределение давления в вакуумной системе оценивают возможность запуска системы, области совместной работы насосов, остаточное давление в вакуумной камере Ррасч■ При неудовлетворительном результате расчета необходимо внести изменения в вакуумную схему, выбрать новые элементы с необходимыми характеристиками и произвести новый расчет, или изменить исходные технологические условия.

На основе объектно-ориентированного подхода разработана функциональная структура системы проектирования вакуумных систем технологического оборудования, в которую входят три основные подсистемы: специалиста, пользователя и интерактивная компьютерная. В подсистеме специалиста происходит накопление и обработка информации, находящейся в распоряжении специалиста - от каталогов до методик и результатов исследований. В результате формируется банк знаний, располагающий системой баз данных и блоком методик проектирования и расчета вакуумных систем. Данная система, являясь закрытой для пользователя в плане изменения её внутренней структуры, доступна для специалиста с целью внесения изменений и дополнений. В подсистеме пользователя происходит выполнение технического задания с использованием информации, накопленной в подсистеме специалиста. Результатом работы пользователя является формирование конструкторской и

технической документации. Взаимодействие систем пользователя и специалист осуществляют через интерактивную компьютерную систему.

Для проектирования вакуумных систем технологического оборудовани нами разработана база данных «Вакуумные системы» с использование! конструктора баз данных оболочки Microsoft Access. Создаваемые формь запросы и отчеты позволяют быстро и эффективно обновлять данные, получат! ответы на вопросы, осуществлять поиск нужных данных, анализировать данные печатать отчеты и диаграммы.

Структура базы данных представляет собой набор таблиц, содержащи: информацию об отдельных элементах вакуумных систем, и списка запросов позволяющих совершить последовательную выборку необходимых элементов дл; создания вакуумной системы.

Разработанная система баз данных использована при проектирована низковакуумного модуля для производства композиционных материалов (рис. 8).

Низковакуумный модуль для подготовки металлов к прокатке

Рис.8

На основе предложенного алгоритма рассчитана низковакуумная система, которая имеет в своём составе вакуумную рабочую камеру, соединённую через

систему клапанов, трубопровод и ловушку с форвакуумным насосом. Анализ вакуумной системы показал, что она может быть выполнена из стандартных и унифицированных деталей и узлов, которые имеются в разработанной нами базе данных. 8 данном случае созданы запросы на последовательную выборку необходимых насосов по глубине создаваемого вакуума, по типу конструкции насосов, по техническим характеристикам (быстродействию, предельному давлению) с конечным выводом результатов выборки в виде чертежа вакуумного насоса и его основных технических характеристик (рис. 9).

Разработана конструкция сверхвысоковакуумной камеры для проведения различных технологических процессов (диффузионная сварка, прессование, создание рабочих поверхностей с заданным комплексом физико-механических свойств) при производстве композиционных металлических материалов.

Таким образом, предложенная система баз данных "Вакуумные системы" позволяет конструировать вакуумное технологическое оборудование различной сложности с возможностью пополнения самой базы данных.

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ПРОВОЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В электронной и радиотехнической промышленности для герметичных (вакуумных) вводов через стеклянные оболочки электровакуумных, полупроводниковых и светильных приборов широко применяют платинит, который представляет собой биметаллическую проволоку из железоникелевого сплава 42НА (фени) с оболочкой из меди.

В МИСиС, совместно с ОКБ "Луч", разработан технологический процесс производства стальной проволоки, плакированной медью, который включает: непрерывную подачу стального сердечника и медной ленты; обезжиривание и зачистку контактирующих поверхностей в инертной среде; формирование трубной заготовки из медной ленты, сварки ее кромок и опрессовывание вокруг сердечника; нагрев и волочение заготовки на заданный размер. Для получения надежного и вакуум-плотного сцепления по всему периметру поперечного сечения биметаллической проволоки нами предложено осуществлять обработку контактирующих поверхностей в вакууме 6,6...13,3 Па. Формирование и сварку

Фрагмент выбора форвакуумного насоса

ВВН1-12 Технические характеристики

Быстрота действия, м3/с, при давлении, МПа: 0,04 0,0203

Электродвигатель: мощность, кВт частота вращения, с"1 30(22) 16,7

Рис.3.

трубной заготовки следует также вести в вакууме, а огтрессовку осуществлять а волоках с обжатием 3...8%. Полученную биметаллическую заготовку нагревают до 850...920°С и прокатывают по режиму повышения вытяжек 2...7%.

На основе общего подхода к проектированию технологических линий и агрегатов разработана функциональная схема работы технологической линии для производства платинитовой проволоки, которая включает в себя три подсистемы: подсистема 1 - линия подготовки ферроникелевого сердечника, подсистема 2 -линия подготовки медной ленты, подсистема 3 - линия получения биметаллической проволоки. В свою очередь каждая подсистема содержит три функциональных блока, предназначенных для выполнения одной обобщенной технологической операции. Представленная функциональная схема дает полное представление как о технологическом процессе производства платинитовой заготовки, так и о необходимых для его реализации подсистемах, модулях и агрегатах основного технологического оборудования.

Разработанные функциональная схема и объектно-ориентированная модель послужили основой для создания технологической линии для непрерывного производства прецизионной платинитовой проволоки (рис. 10), а также разработки и исследования математической модели входного устройства для сердечника, научного конструирования отдельных элементов линии (устройства механической зачистки, входного и выходного устройств, модуля деформирования и сварки, вакуумной системы и др.).

При проектировании линии большинство модулей и агрегатов (разматыватели, стыкосварочная машина, моталка, агрегат ультразвукового обезжиривания и др.) были выбраны из соответствующих баз данных, имеющихся на предприятиях ОКБ "Луч" (г. Владикавказ) и ОКБМ (г. Калуга). Некоторые агрегаты (модуль редуцирования, накопитель ленты, правильная машина, ножницы и др.) были модернизированы с целью адаптации к данному технологическому процессу. В то же время для модуля деформирования и сварки в вакууме не было найдено аналогичных технических решений. В связи с этим осуществлено научное конструирование универсального модуля деформирования и сварки при производстве круглой биметаллической проволоки в среде контролируемого состава; обосновано применение фильер в узлах ввода сердечника и вывода биметаллической заготовки для герметизации рабочего пространства вакуумной камеры (рис. 11).

Схема технологической линии для непрерывного производства платинитовой проволоки

Линия для получения композиционного материала "металл - металлокерамика"

Модуль деформирования и сварки

Узел ввода сердечника из атмосферы в рабочую камеру высокого вакуума

Рис. 11

Разработана математическая модель узла ввода сердечника в рабочую вакуумную камеру, которая основана на совместном использовании теории волочения, закономерностей контактного трения и вакуумной техники. Она содержит две основные части: стержневую модель шероховатой поверхности и модель вакуумного ввода.

Ввод сердечника в вакуумную камеру осуществляется путем волочения через фильеры, и поэтому контурное давление равно

Ркон = (0-5)ср = тм ■ а 7л где (аз)ср - среднее значение сопротивления деформации материала сердечника в очаге деформации; от.н и ат,к - условный предел текучести сердечника на входе и выходе из фильеры.

Величина относительного сближения контактирующих тел при использовании стержневой модели в случае пластического контакта определяется параметром Ь опорной кривой профиля 611

8 =

^шх.г

Рш

с-сг,

где Ямах - наибольшая высота неровностей профиля, величина коэффициента с зависит от материала и формы контактирующих поверхностей.

Расчетная схема узла ввода сердечника в рабочую высоковакуумную камеру Камера низкого вакуума Камера среднего вакуума Камера высокого вакуума

1-ый бпок фильер

и01 = 2,72-10в-а,-(5(1,)2/Ыв, и,2= (2720р,+430)-(5с12)гМв2 и2з = 484-(ой2)2/Ывз

Рис. 12

На рис. 12 приведена расчетная схема модели вакуумного ввода сердечника в рабочую камеру. С учетом режима течения газа выведены формулы для определения вакуумной проводимости для всех блоков фильер. Установлено, что в первом блоке имеет место вязкостный режим, во втором - молекулярно-вязкостный, в третьем - молекулярный, при этом изменение давлений между блоками фильер следует выбирать по логарифмическому закону.

Исследование полученной системы уравнений методами имитационного' моделирования позволило установить количество вакуумных камер, оптимизировать распределение в них давлений и определить количество фильер в каждом герметизирующем блоке.

Предложена математическая модель узла вывода биметаллической проволоки из рабочей вакуумной камеры, выполненного в виде совокупности последовательно расположенных фильер. Для имитационного моделирования процесса волочения проволоки составлены два уравнения

К, -ат

' 11 I ' + —

" 1 А

1-

1 + -

Р,

А,,

+ Кп-ат

+ К. ■ сг т

А,,

Входящие в эти уравнения условные пределы текучести платинитовой проволоки на соответствующих участках, т.е. атн.ь отн.г = откл, отн.з = отк.г и отнл = &тк.з, определяли по формуле

Л СО + Лов

Пределы текучести составляющих определяли по формуле А.В.Третьякова ат = (ат)о+В-(е^)с

Применение имитационной модели дало возможность из множества вариантов конструктивного исполнения волочильного блока отобрать наиболее перспективный (с тремя фильерами), который был принят при проектировании узла вывода платинитовой проволоки из рабочей вакуумной камеры..

Образцы биметаллической заготовки "медь - ферроникель", полученные на созданной технологической линии, показали более высокую (на 30... 50%) прочность на срез, при металлографическом анализе зоны контакта дефектов не

СО ' СО ^08 ' ^У..СВ

обнаружено. Образцы готовой биметаллической проволоки были испытаны при опробовании на вакуумную плотность в изделиях электронной техники у потребителей. Брак по газности и натеканию снизился с 0,5% до 0,18%, что улучшило качество электронных приборов и в том числе их долговечность.

В мощных электровакуумных приборах с целью уменьшения высокочастотных потерь прямоугольную проволоку (или ленту) из молибдена для спиральных линий замедления покрывают слоем меди. Толщина медного слоя на основе должна составлять 10...40 мкм, причем к изделию предъявляются повышенные требования по равномерности прилегающего слоя.

Разработанные технология, функциональная схема работы и объектно-ориентированная модель позволили создать схему технологической линии электропластической прокатки молибден-медной прямоугольной проволоки с применением электроконтактного нагрева. Математическая модель линии основана на решении неоднородного дифференциального уравнения теплопроводности для термически тонких тел, учитывающего внутренние источники энергии за счет омического сопротивления при подводе электрического тока и энергии пластической деформации.

Л-г-г-рУЪ-Г+Ч, =°

ДА" и.\

Здесь Т, = Т,(х) - температура ¡-го слоя заготовки, К ( ¡= 1 - сердечник, I = 2 -оболочка); Я,- = Л)(Т,) - коэффициент теплопроводности ¡-го слоя, Вт/(мК); р, = р,(Т,) - плотность материала ¡-го слоя, кг/м3; С, = С,(Т,) - предельная теплоемкость материала ¡-го слоя Дж/(кг-К); д, = ц,(х,Т,) - объемная плотность мощности тепловыделения, Вт/м3; V - скорость прокатки, м/с.

Для решения неоднородного дифференциального уравнения второго порядка задаются два краевых условия Ти0> = Т0 и (с1Т/с1х)х*Х5 = 0, конкретный вид температурных зависимостей теплофизических свойств материалов и функции С этой целью расчетная схема разбита на 5 участков (рис. 13), на каждом из которых есть свои особенности задания функции д,(х,7у. Алгоритм расчета реализован в виде программы на языке ТигЬо-С, позволяющей выводить параметры линии и осуществлять вывод результатов расчета в графическом и текстовом виде (рис. 14).

Расчётная схема совмещённого процесса электропластической прокатки с электроконтактным нагревом биметаллической проволоки

Рис.13

Имитационное моделирование линии для производства прецизионной молибден-медной прямоугольной проволоки позволило определить распределение температуры по всем участкам линии, параметры электрической цепи и статьи теплового баланса; установлено, что при плющении следует применять электроконтактный нагрев заготовки, а при прокатке прямоугольной проволоки - электропластическую деформацию.

Результаты исследований использованы: при модернизации стана МАМП для уточнения электрических параметров, обеспечивающих получение требуемой температуры в очаге деформации, и корректировки скорости прокатки и режимов обжатий; при создании плющильного стана конструкции ОКБМ для определения расстояния между токоподводящей фильерой и осью прокатных валков и выбора электрооборудования для подачи требуемого электрического тока при электроконтактном нагреве и элекгропластическом деформировании.

Лабораторные и опытно-промышленные исследования с применением методов планирования экспериментов показали, что созданная технологическая линия обеспечивает получение прецизионной биметаллической ленты

PACW SQPÂBAMOrO HArPEBA MIlOrOCAOiîHOrO DP9ÎKA

I'

aiQ UKI uo xao M iO 3a IfcH

/

s

/ \

/

/

tVKM

Q.OtWffl O.ÎWÎJ? O.S313 O.WII

Koopauiiamrt. m

PAWET SHPABAiîEMOro IIAFPEBA MIMYiOro DPBTKÀ

Wh

ci' g

cri O-.

CJ g

53J

e—

-H» itiai

1

s

i

nnc<M I

10 o.jxrr a.«si? o.mn

KoopduHamu, M

PAC4E1' HQPABAMOl'O HAITO1A MIIUIWAMTO [¡P8TKA

aoo bCK AUIM«

u *•» ci" a*« dm n 130 aj j-zo C3 33 w 30 Util IWUll

---- — —, ......|—

i — i N

/

i

/

I

o .e OOO 0.3337 Q.G913 0.9?7D ».3027 l.C K OOpDu i-L H in a , IV* 283

Pue. 14

I .6383

(прямоугольной проволоки) с высоким качеством соединения составляющих и равномерном распределением тонкого медного слоя по периметру молибденового сердечника; даны рекомендации по технологическим параметрам процесса электропластической деформации с электроконтактным нагревом, которые использованы при разработки ТУ на прецизионную молибден-медную прямоугольную проволоку.

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ЛЕНТОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Наибольшее распространение в электронной промышленности нашли прецизионные многослойные ленты с составляющими из никеля и его сплавов: "никель-сталь-никель", "никель-ковар-никель", "никель-фени-никель" и др.

На основе объектно-ориентированного подхода и результатов критического анализа способов производства многослойных лент разработаны функциональная схема работы (рис. 15) и объектно-ориентированная модель комплекса непрерывного получения трехслойных лент из никеля и его сплавов, которые послужили научной основой для определения его технологической схемы, выбора состава оборудования и научного конструирования отдельных модулей. Разработаны алгоритмы расчета элементов оборудования линии.

Важной подсистемой, определяющей качество соединения составляющих, является прокатный модуль. Из анализа функциональной схемы работы и объектно-ориентированной его модели показана целесообразность применения эпектропластической прокатки с электроконтатным нагревом составляющих. Математическая модель модуля прокатки трехслойной ленты основана на решении системы дифференциальных уравнений теплопроводности:

где к - индекс, который принимает значения 1, 2 и 3 в соответствии с номером ленты. Для решения уравнений задаются значения теплофизических характеристик Ц и О-, значение производительности / ¡к, конкретный вид

функций и дк (Т, х), а также два граничных условия.

В к -¿к- '-Вк-Ьк-ЧкУ",*),

Функциональная схема работы комплекса для производства трёхслойных ленточных материалов

со

Рис. 15

Для удобства описания функций /% и формулировки двух

граничных условий каждую из прокатываемых лент разбивали по длине на 7 участков (рис. 16).

Схема технологической линии для производства трехслойного материала электропластической прокаткой с электроконтактным нагревом лент

ИП1

Рис. 16

Алгоритм расчета реализован в виде программы на языке ТигЬо-С, позволяющей вводить параметры линии и осуществлять вывод результатов расчета в графическом и текстовом виде (рис. 17). Показано, что для повышения качества многослойных лент в технологической линии необходимо применение модуля предварительного соединения основы с плакировками для герметизации контактирующих поверхностей с целью защиты зон схватывания от окисления. В результате рассмотрения возможных вариантов управления процессом нагрева трехслойных лент установлено, что наиболее приемлемыми на практике являются два варианта: одновременный нагрев плакировок и основы или нагрев только основы.

С использованием предложенной структуры базы данных осуществлен выбор основного технологического оборудования линии для получения трехслойной ленты "никель - ковар - никель" из базы данных ОКБМ и ОКБ "Луч":

РАСЧЕТ ВПРАВЛЯЕМОГО НАГРЕВА ШЮШОЙЮЙ ЛЕНТЫ

А/«!«* 72 fWi«*1

\

Пия АШД ч / i

/

/ i-- ----- —

s'

j

/

____. i

1ЭОО 1170

»»О

CA.

780

Cî

<-5 %ЭО ^ ISO

^ ion

I.9DOO -1.4ПЭО 0.0940 1.3910 Э.ОППО SOSO

1С оорДмпа. x'S'-i. ». » Tvr

РАЙИ ВПРАВЛЯЕМОГО НАГРЕВА ШЮГОСАОМ ЛЕНТЕ!

то

Пода,«» ПСС

-5-

Оо гюамя ПСС Пос^е юшля i

I

j-г -ïi а'ммг j= i

-J"

X Л/»«ti: J= 54 Л'.л

О/пи» J = <>S I

BOU

7 го

4ÖO

s

СЗ 400

зго гш ' 160 во

Lbi Л1Ш1 .n 1 —L

/ / ——

/ /

J

/ J

> -1 7

¡y

/7

—^

;.5000 -1.403О 0.0940 J..3910 З.ОИМп 4.58ÍSO

XCüO

РАСЧЕТ ВПРАВЛЯЕМОГО ПАГРШ МНОГОСЛОЙНОЙ ЛЕНШ

—g-

Ja 31 «Ли

-, МО Г5? SAO

sa-

G¿ »го

-fe Ш

A ___

— --I

л

у

1

2 . 9ПШЭ - X . 403Г» О. 0940 1. 33ÍO 3. ПвПО 54SO

ЖС о о -jp Ö и. хж ä m a,

Рис. 17 .

модули входного контроля качества лент, стыкосварки и правки, агрегат обезжиривания и зачистки, шестивалковый нереверсивный прокатный стан и др.

Результаты исследований математической модели использованы при модернизации стана МАМП и плющильного стана конструкции ОКБМ для определения расстояний между модулем предварительного соединения составляющих и осью прокатных валков, выбора электрооборудования, обеспечивающего подачу требуемого электрического тока, и уточнения скорости прокатки и режимов обжатий. Даны рекомендации по реконструкции 6-валкового стана конструкции ОКБ "Луч" с целью оснащения его устройством электроконтактного нагрева основы при получении многослойных материалов из никеля и его сплавов.

Для корпусов мощных полупроводниковых приборов находит широкое применение многослойная композиция "ковар - псевдосплав Мо-Си - ковар -металлокерамика 22ХС", благодаря высокой теплопроводности, низкому коэффициенту термического расширения, повышенной коррозионной стойкости и прочности. На основе предложенного технологического процесса, функциональной схемы работы и объектно-ориентированной модели разработана технологическая схема (рис. 18, стр. 28) и определен состав оборудования линии для получения материала "металл - металлокерамика". С использованием созданной азы данных выбраны стан для листовой прокатки порошков, термическая печь, модуль предварительного соединения составляющих, стан холодной прокатки, установка диффузионной сварки и др. В процессе проектирования линии опробованы отдельные агрегаты.

Разработана имитационная модель линии, основанная на кинетике образования связей при диффузионном взаимодействии металлов

где О - коэффициент диффузии, Оо - энергия активации самодиффузии Т -температура, К; К - постоянная Больцмана; б - постоянная решетки; О - энергия активации диффузии; Я - газовая постоянная. Таким образом, в основу имитационной модели положена зависимость времени активации та от параметров диффузии йо и О, являющихся функцией термомеханических

характеристик, которые варьируют в диапазоне реально существующей технологического процесса.

Экспериментально-аналитическим способом получены зависимости коэффициентов и периода активации диффузии от температуры для комлозици! "железо - молибден", "железо - никель" и "никель - ковар".

Проведенные металловедческие исследования подтвердили правильности выбора технологии и состава оборудования разработанной линии для получени; композиционного материала "ковар - псевдосплав - ковар - металлокерамике 22ХС" с высоким качеством соединения составляющих. Разработанная лини? создает широкие технологические возможности для производстве композиционных материалов разнообразного состава и сортамента.

Разработаны рекомендации по совершенствованию агрегата проката алюминиевой ленты, плакированной нержавеющей сталью, путем замень вакуумного отжига ленты нержавеющей стали на высокоскоростное электроконтактный нагрев. Для повышения качества биметаллической ленты в состав агрегата предложено введение камеры выравнивания температуры па ширине алюминиевой ленты, для определения длины 1- которой выведена расчетная формула:

, и, 0, и, Т„+АТ-Т.

1_= — 1п— = —1п—-

Ь в2 Ь 2АТ

где и - скорость; Ь - коэффициент, зависящий от теплофизических характеристик материала; 01 и вг - перепад температур до и после камеры выравнивания. ЛТ -допуск на температуру алюминиевой ленты перед сваркой в валках, обычно равный 5... 10°С.

Математическим моделированием обосновано применение электроконтактного нагрева обеих составляющих биметалла "алюминий -нержавеющая сталь" и даны рекомендации по выбору технологических параметров нагрева и деформации, а также для определения расстояний между элементами агрегата и выбора электрооборудования, обеспечивающего подачу требуемого электрического тока. Применение предложенных рекомендаций обеспечило надежное соединение обеих составляющих при прокатке за один проход со скоростью 0,08...0,10 м/с с обжатием не менее 30% в рабочих валках диаметром 160 мм при плотности электрического тока в алюминиевой ленте 60...70 А/мм2 и в нержавеющей ленте - 30...40 А/мм2.

В результате исследований технологического процесса производства термобиметаллических полос установлено, что перед прокаткой необходимо проводить дегазацию полосы с газотермическим покрытием в специальном низковакуумном модуле, для которого разработаны функциональная схема работы и методика расчета и проектирования. Для оценки качества полученного покрытия (в баллах) получена эмпирическая формула:

В = 13,37-26,881- 1,746т -3,73с + 1,974т + 14,81? + 4,5751? где В - качество покрытия в баллах; I ~ температура нагрева, °С; г - время выдержки, с; е - степень высотной деформации покрытия, %. Качественной считается полоса с покрытием 1-го балла качества.

На основе комплекса экспериментальных и теоретических исследований разработана технологическая линия для непрерывного производства полос с газотермическими покрытиями из цветных металлов и сплавов повышенной пластичности без снижения производительности при переходе с одной толщины полосы на другую, которая позволяет получать монолитные по своей структуре покрытия заданной толщины, обладающие высокими когезионными и адгезионными характеристиками.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Совокупность полученных результатов представляет собой научно обоснованные технические и технологические решения, имеющие важное народнохозяйственное значение, по разработке и созданию технологических линий и агрегатов для производства прецизионных композиционных металлических материалов, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем.

1. Созданы научные основы расчета и проектирования технологических линий и агрегатов для производства прецизионных композиционных металлических материалов, которые базируются на объектно-ориентированном подходе, разработанных системных принципах и методике проектирования, схем классификаций линий и основных технологических процессов. Впервые

разработаны обобщенные функциональные схемы работы и объектно-ориентированные модели линий для производства композиционных проволочных и ленточных металлических материалов, которые использованы при конструировании оборудования технологических линий для производства платинитовой проволоки, плющеной медно-молибденовой ленты, трехслойной ленты "никель - ковар - никель", биметаллической полосы "алюминий -нержавеющая сталь", многослойной композиции "ковар - псевдосплав - ковар -металлокерамика 22ХС", термобиметаллической полосы.

2. Разработаны математические модели линий электропластической прокатки многослойных проволочных и ленточных материалов с управляемым электроконтактным нагревом, основанные на решении системы неоднородных дифференциальных уравнений теплопроводности и реализованные в виде прикладных компьютерных программ. Получены закономерности изменения температурного поля на всех участках технологической линии, которые использованы при обосновании состава оборудования, схемы подачи электрического тока на составляющие композиционного материала, определения расстояний между модулями и корректировки технологии. Результаты исследований использованы при научном конструировании модуля деформирования и сварки, модернизации стана МАМП, разработке плющильного стана конструкции ОКБМ и реконструкции 6-валкового стана конструкции ОКБ "Луч".

3. Предложена многоуровневая структура базы знаний по технологическим линиям для производства прецизионных композиционных металлических материалов, которая включает наборы функциональных схем, объектно-ориентированных моделей, модулей и агрегатов. Впервые разработана концепция базы данных "Вакуумные системы" с применением конструктора баз данных Microsoft Access, которая использована при проектировании низковакуумных модулей для подготовки материалов к плакированию и дегазации газотермических покрытий в непрерывных технологических линиях для производства ленточных композиционных материалов. Осуществлен выбор основного технологического оборудования линии для получения трехслойной ленты "никель - ковар - никель" из базы данных ОКБМ и ОКБ "Луч": модули входного контроля качества лент, стыкосварки и правки, агрегат обезжиривания и зачистки, шестивалковый нереверсивный прокатный стан и др.

4. При проектировании и создании технологических линий и агрегатов по производству прецизионных композиционных металлических материалов предложено использовать систему проектирования, основанную на объектно-ориентированном подходе, для которой разработана функциональная структура объектно-ориентированной системы проектирования на основе банка знаний и сформулированы цели и задачи основных подсистем: специалиста-эксперта, пользователя и интерактивной компьютерной подсистемы. На основе объектно-ориентированного подхода разработана функциональная структура системы проектирования вакуумных систем технологического оборудования с широким применением банка знаний, включающего базы данных и методическое обеспечение. Применение данных систем позволило сократить сроки проектирования линий и повысить качество проектных решений.

5. Разработаны математические модели узла ввода сердечника в рабочую вакуумную камеру и вывода биметаллической проволоки, выполненных в виде совокупности последовательно расположенных фильер. В результате имитационного моделирования установлено количество вакуумных камер, оптимизировано распределение в них давлений и определено количество фильер в каждом герметизирующем блоке.

6. На основе разработанных функциональных схем работы и объектно-ориентированных моделей разработаны технологические схемы и определен состав оборудования линий для непрерывного получения платинитовой круглой проволоки, молибден-медной прямоугольной проволоки, трехслойной ленты "никель - ковар - никель", композиционного материала "ковар - псевдосплав Мо-Си - ковар - металлокерамика 22ХС", биметаллической полосы "алюминий -нержавеющая сталь" и полос с газотермическими покрытиями из никеля и его сплавов.

7. В результате критического анализа и обобщения опыта создания вакуумного оборудования разработаны обобщенные функциональная схема работы и объектно-ориентированная модель вакуумной системы и осуществлена систематизация известных методик расчета вакуумных систем. Впервые разработана универсальная инженерная методика расчета низко-, средне- и высоковакуумных систем технологического оборудования для производства композиционных металлических материалов. Созданы алгоритмы расчета вакуумных систем и процедуры выбора вакуумных схем, определения типов

вакуумных насосов и конструкционных вакуумных элементов с использование? баз данных. Показано, что для повышения качества многослойных ленточных I проволочных материалов в технологической линии необходимо применена модуля предварительного соединения основы с плакировками для герметизаци! контактирующих поверхностей с целью защиты зон схватывания от окисления.

8. Результаты теоретических и экспериментальных исследований методики расчета и проектирования технологического оборудования на основе объектно-ориентированного подхода нашли практическое применение пру создании и совершенствовании ряда линий и агрегатов для производства многослойных проволочных и ленточных материалов: модуля деформирования и сварки в линии производства платинита, дегазационного низковакуумного модуля комплекса для получения полос с газотермическими покрытиями из никеля и его сплавов, комплекса непрерывной подготовки полос под плакирование, агрегата прокатки алюминиевой полосы, плакированной нержавеющей сталью. Испытания полученных композиционных материалов показали, что при производстве изделий электронной техники брак по вакуумной плотности снизился в 2...3 раза, выход годного повысился на 20...40%, срок службы изделий увеличился более чем в 2 раза. Внедрение разработок автора в промышленность позволило отказаться от поставки импортной продукции и оборудования.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Заготовка для изготовления листового термобиметалла / А.Е.Титлянов, А.Ю.Зарапин, В.В.Бринза, В.П.Полухин. - А.С.№1343681 (СССР). 1986. -6 с.

2. Заготовка для изготовления листового термобиметалла / А.Е.Титлянов, А.Ю.Зарапин, В.В.Бринза, В.П.Полухин. -А.С.№ 1350949 (СССР). 1987. -7 с.

3. Заготовка для изготовления листового термобиметалла / А.Е.Титлянов, А.Ю.Зарапин, В.В.Бринза, В.П.Полухин. - А.С.№ 1408655 (СССР). 1988. - 7 с.

4. Зарапин А.Ю. Научные основы проектирования технологических линий для производства композиционных металлических материалов II Черная металлургия: Бюл. института «Черметинформация»,-М.: 1999. №5-6. С.32-49.

5. Зарапин А.Ю., Ирошников С.А., Чиченев Н А. Металлургические машины и оборудование: Учебное пособие для вузов - М.: МИСИС, 1999. - 34 с.

6. Зарапин А.Ю., Ирошников С.А., Шур И.А. Расчет и проектирование механизмов и систем технологического оборудования. Курс лекций. Часть 3: Учебное пособие для вузов - М.: МИСИС, 1999. - 54 с.

7. Зарапин А.Ю., Левицкий И.А., Мокрецов A.C., Чиченев H.A. Моделирование процесса прокатки трехслойных лент с применением электроконтактного нагрева и электропластической деформации II Сталь. 1999. №7. С.61-64

8. Зарапин А.Ю., Левицкий И.А., Мокрецов A.C., Чиченев H.A. Структура модели процесса электропластической прокатки прецизионных лент с электроконтактным нагревом И Цветные металлы. 1999. №5. С.92-95.

9. Зарапин А.Ю., Станишевский С.Э., Чиченев А.Н. Линия для непрерывного получения полос с газотермическим покрытием из никелевых сплавов У/ Тяжелое машиностроение. 1999. №6. С. 16-20.

10.Зарапин А.Ю., Станишевский С.Э., Чиченев А.Н. Методика расчета вакуумной системы технологического оборудования. // Известия вузов. Цветная металлургия. 1999. №1. С.68-69.

11.Зарапин А.Ю., Станишевский С.Э., Чиченев А.Н. Низковакуумная защитная камера при производстве композиционных материалов // Сталь. 1999. №4. С.60-64.

12.Зарапин А.Ю., Станишевский С.Э., Чиченев H.A. Высокотемпературная кристаллизационная установка с быстро уплотняемой высоковакуумной камерой // Сталь. 1999. №3. С.47-50.

13.Зарапин А.Ю., Шур И.А., Чиченев H.A. Совершенствование агрегата прокатки алюминиевой ленты, плакированной коррозионно-стойкой сталью // Сталь. 1999. №10. С.59-61.

14.Зарапин А.Ю., Чиченев А.Н. Математическая модель вакуумного ввода сердечника проволочного биметалла в рабочую камеру // Производство проката. 1999. №8. С.20-25.

15. Зарапин А.Ю., Чиченев А.Н. Моделирование процесса волочения биметаллической проволоки II Производство проката. 1999. №12. С.37-40.

16. Зарапин А.Ю., Чиченев А.Н. Модель ввода непрерывно движущейся проволочной заготовки в вакуумную камеру II Черные металлы. 1999. №5. С. 12-15.

17.3арапин А.Ю., Чиченев А.Н. Объектно-ориентированная модель линии для производства платинита / В кн. «ИНФОТЕХ-99. Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах». - Череповец: ЧГУ, 1999. С.98-99.

18.3арапин А.Ю., Чиченев А.Н. Принципы проектирования технологических линий и агрегатов для производства композиционных металлических материалов / В кн. «Вопросы проектирования и эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве». - Старый Оскол: СОФ МИСИС, 1999. С. 112-114.

19.3арапин А.Ю., Чиченев А.Н. Проектирование линий для производства композиционных материалов на основе объектно-ориентированного подхода //Тяжелое машиностроение. 1999. №6. С.21-25.

20.3арапин А.Ю., Чиченев А.Н. Проектирование технологической линии для производства платинитовой проволоки на основе объектно-ориентированного подхода// Черные металлы. 1999. №4. С. 12-15.

21. Зарапин А.Ю., Чиченев А.Н. Функциональная схема работы линии для производства биметаллической проволоки "фени-медь" / В кн. «ИНФОТЕХ-99. Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах». - Череповец: ЧГУ, 1999. С.100-101.

22. Зарапин А.Ю., Чиченев H.A. Использование методов обработки металлов давлением для получения биметаллических композиций и защитных покрытий на металлах - М.: Черметинформация, 1989 (Обзор, информация. Сер. Прокатное производство. Вып. 1) - 25 с.

23. Зарапин А.Ю., Чиченев H.A. Классификация технологических процессов производства композиционных металлических материалов / В кн. «Вопросы проектирования и эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве». - Старый Оскол: СОФ МИСИС, 1999. С.110-111.

24. Зарапин А.Ю., Чиченев H.A. Разработка методики проектирования технологических линий для производства композиционных металлических материалов / В кн. «Перспективы горно-металлургической индустрии». -Новосибирск: Сибирские огни, 1999. С.143-150.

25. Зарапин А.Ю., Чиченев H.A., Зарапин Ю.Л. Диффузионное взаимодействие в граничной зоне биметалла сталь-никель // Черная металлургия: Бюл. института «Черметинформация».-М.: 1999. №11-12. С.40-41.

26. Зарапин А.Ю., Чиченев H.A., Шур И.А. Расчет и проектирование механизмов и систем технологического оборудования. Курс лекций. Часть 2: Учебное пособие для вузов - М.: МИСИС, 1998. - 50 с.

27. Никитина Л.А., Зарапин А.Ю. Черная металлургия стран - членов СЭВ и СФРЮ в 1987 г. - М.: Черметинформация, 1988. - 37 с. (Технико-экономический обзор).

28. Пасечник Н.В., Зарапин А.Ю., Чиченев H.A. Прокатное оборудование нового поколения для производства прецизионных полос из труднодеформируемых материалов И Сталь. 1999. №2. С.58-64.

29. Полухин В.П., Титлянов А.Е., Зарапин А.Ю. Разработка технологии получения листов и лент с газотермическими антикоррозионными покрытиями / В кн. «Задачи технического перевооружения листопрокатного производства: Тезисы докладов всесоюзной конференции». - Днепропетровск: ЦНИИЧМ, 1987. С. 15.

30. Расчет и проектирование механизмов и систем технологического оборудования. Курс лекций. Часть 1: Учебное пособие для вузов / Зарапин А.Ю., Пасечник Н.В., Чиченев H.A., Шур И А- М.: МИСИС, 1998,- 54 с.

31.Титлянов А.Е., Зарапин А.Ю. Влияние холодной прокатки и термообработки на механические характеристики стальной полосы с никелевым покрытием II РЖ "Металлургия". 1989. 6Д364Депон.

32.Титлянов А.Е., Зарапин А.Ю. Исследование влияния термомеханической обработки на свойства термобиметалла, полученного путем газотермического напыления пассивного и промежуточного слоев. / В кн. «Проблемы повышения технического уровня производства черных металлов и сплавов: Тезисы докладов всесоюзной конференции». - Донецк: ЦНИИЧМ, 1987. С.17

33.Титлянов А.Е., Зарапин А.Ю. Разработка и исследование технологии прокатки полос с газотермическими покрытиями из никеля и его сплавов / В кн. «Опыт производства и применения металла с покрытиями. Тезисы докладов всес. научно-технического семинара». - Запорожье: ЦНИИЧМ, 1988. С.28.

34.Титлянов А.Е., Зарапин А.Ю., Заикина A.M. Влияние механико-термической обработки на микротвердость газотермических алюминиевых покрытий / В кн. «Опыт производства и применения металла с покрытиями. Тезисы докладов всес. научно-технического семинара». - Запорожье: ЦНИИЧМ, 1988. С.28-29.

35.Титлянов А.Е., Зарапин А.Ю., Фалдина Е.В. Влияние холодной прокатки и термообработки на механические характеристики стальной полосы с никелевым покрытием. -М.: Черметинформация, 1988. С.53-93.

36.Титлянов А.Е., Радюк А.Г., Зарапин А.Ю. Оптимизация состава и загрузки агрегатов линии металлизации II Изв. вузов. Черная металлургия. 1987. №1. С. 152-153.

37. Черная металлургия капиталистических и развивающихся стран. Производство проката, труб, калиброванного металла, металловедение и термическая обработка / Никитина J1.A., Артамонова Е.В., Зарапин А.Ю. и др. -М.: Черметинформация, 1988. - 32 с. (Обзорная информация).

38. Чиченев А.Н., Зарапин А.Ю. Имитационное моделирование процесса волочения платинитовой проволоки // Черная металлургия: Бюл. института «Черметинформация»,-М.: 1999. №9-10. С.60-63.

39. Чиченев А.Н., Зарапин А.Ю. Модель ввода сердечника в вакуумную камеру при производстве проволочной биметаллической заготовки // Черная металлургия: Бюл. института "Черметинформация". - М.: 1999. №7-8. С.47-50.

40.Чиченева О.Н., Зарапин А.Ю., Готовцев И.Б., Осиновский С.И. Определение зависимостей температуры ленты от параметров процесса методами планирования эксперимента. // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1998. №4.

41.Чиченева О.Н., Зарапин А.Ю., Готовцев И.Б., Осиновский С.И. Применение планирования экспериментов при определении зависимостей температуры ленты в процессе электропластической деформации. // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1998. №6. С.29-32.

С.37-39.