автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка научных и технологических основ для создания автоматизированных комплексов и линий горячего прессования изделий из алюминиевых сплавов

МПС РФ

Уральская государственная академия путей сообщения

На правах рукописи fk^

Готлиб Максим Борисович

УДК 621.77:62.50

Разработка научных и технологических основ для создания автоматизированных комплексов и линий горячего прессования

изделий из алюминиевых сплавов

Специальность 05.13.07 — Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор Вайсбурд P.A.

Екатеринбург 1998 г

Содержание

Введение 5

1. Аналитический обзор существующих автоматизированных комплексов и линий горячего прессования изделий из алюминиевых сплавов 11

1.1. Типовая автоматизированная линия................................12

1.2. Действующие зарубежные и отечественные автоматизированные комплексы и линии...........,........................22

1.3. Результаты аналитического обзора и выводы......................64

2. Математическое моделирование и принципы управления процессами горячего прессования изделий из алюминиевых сплавов 67

2.1. Место математического моделирования в комплексе проблем, связанных с управлением процесса прессования......... 67

2.2. Связанная краевая задача термопластичности для низкоскоростных процессов деформирования материалов......... 75

2.2.1. Разрешающие вариационные уравнения термопластичности .............................. 81

2.2.2. Математическая модель процесса прямого прессования прутковых и трубных профилей.............. 85

2.2.3. Результаты математического моделирования ....... 96

2.3. Принципы управления процессом горячего прессования изделий из алюминиевых сплавов....................105

2.4. Основные результаты......................... 112

3. Адаптивная система управления процессом изотермического прессования 113

3.1. Математическое описание системы управления .........113

3.2. Алгоритм управления процессом изотермического прессования 124

3.3. Управление исполнительными органами пресса.........127

3.3.1. Адаптивный регулятор скорости прессования аккумуляторного привода '.■.'..'.................. 127

3.3.2. Управление индивидуальным насосным масляным приводом ..............................137

3.3.3. Имитационная система изотермического прессования . . 144

3.4. Основные результаты.........................149

4. Автоматизированные линии горячего прессования изделий из алюминиевых сплавов 150

4.1. Технологическое обеспечение процесса изотермического прессования..............................151

4.2. Основные технологические агрегаты и средства автоматизации линии изотермического прессования................ 157

4.2.1. Гидравлические прессы...................158

4.2.2. Пирометрические установки . . :..............159

4.2.3. Скальпирующее устройство.................168

4.2.4. Датчики геометрических размеров и состояния поверхности слитка и прессуемого изделия............175

4.2.5. Закалочное устройство....................177

4.3. Автоматизированные линии и комплексы изотермического прессования изделий из высоколегированных алюминиевых сплавов 180

4.3.1. Линия изотермического прессования............180

4.3.2. Комплекс изотермического прессования..........187

4.4. Автоматизированная линия по производству длинномерных изделий из высоколегированных алюминиевых сплавов......189

4.5. Опыт проектирования и эксплуатации автоматизированных комплексов изотермического прессования...............194

4.6. Основные результаты.........................201

Заключение 203

Введение

Успех машиностроения и других смежных отраслей промышленности во многом определяется использованием в них новых или коренным образом усовершенствованных технологических процессов металлообработки, обеспечивающих получение готовых изделий и полуфабрикатов повышенного качества и направленных на снижение трудо-, энерго- и материалоемкости производственных процессов.

Одним их таких способов металлообработки является процесс прессования, позволяющий, благодаря выгодной схеме напряженного состояния, получать изделия сложной конфигурации, удовлетворяющие требованиям высокой точности и чистоты поверхности. Наиболее широкое применение процесс прессования нашел при получении изделий из цветных металлов и сплавов особенно алюминиевых сплавов. Почти во всех странах выпуск прессованной продукции из легких сплавов занимает второе место после выпуска плоского проката.

Наиболее актуальной задачей развития прессового производства является создание автоматизированных комплексов и линий с законченным технологическим циклом, позволяющих реализовать рациональные температурно-скоростные режимы как пластической, так и последующей термомеханической обработки прессуемых изделий в едином технологическом потоке с одного нагрева.

Полнота автоматизации всего технологического процесса отражается в следующей цепочке уровней автоматизации: автоматизированный пресс (прессовая установка) —> автоматизированный прессовый комплекс —»• автоматизированная линия -> автоматизированное производство.

Основным направлением совершенствования прессового производства является переход от отдельных прессовых установок к автоматизированным прессовым комплексам и линиям.

Отмеченное выше совмещение операций прессования и термомеханической обработки (в частности закалки и правки) на одном агрегате в едином технологическом потоке возможно только в условиях изотермического прессования, когда обеспечивается постоянство температуры по всей длине прессуемого изделия, выходящего из очка матрицы, при этом закалки и правка изделия осуществляется в закалочном и правильном устройствах, устанавливаемых в непосредственной близости от выхода гидравлического пресса. Условия изотермического прессования проще всего достигаются за счет регулирования скорости движения прессштемпеля в процессе прессования.

Методически разработка автоматизированных систем управления технологическими процессами требует системного подхода, который, как известно, предполагает определение основных выходных и входных параметров процесса, выделение управляющих воздействий, разработку датчиков основных технологических параметров, создание комплексной математической модели процесса, связывающей выходные и входные параметры, и построение моделей исполнительных органов объекта управления. Завершающим этапом разработки является построение алгоритмов управления и их проверка на имитационных моделях.

Теория управления предлагает два принципиально различных подхода к оперативному определению скорости движения прессштемпеля (для достижения условий изотермического прессования): программный и с обратной связью по температуре на выходе из очка матрицы.

Первый из них состоит в том, что закон изменения скорости по ходу прессштемпеля задается до начала процесса, исходя из расчетных данных или опыта прессования аналогичных изделий. При втором способе управления скорость определяется с учетом результатов измерения температуры выходящего из матрицы изделия. Если при этом осуществляется оценивание параметров модели процесса, связывающих управляющие и выходные

параметры процесса, то такое управление является адаптивным.

Процесс прессования является достаточно сложным технологическим объектом управления (ТОУ). Значения таких выходных величин, как температуры нагрева заготовок и их механических свойств, носят случайный характер. Причем наблюдаемыми могут являться только первые из них. Связь между входными и выходными параметрами процесса нестационарна и в общем случае априори неизвестна. Наиболее сложные из существующих в настоящее время моделей процесса ограничиваются описанием прессования осесимметричных профилей. При этом искомая связь задается алгоритмически, а объем требуемых вычислительных ресурсов исключает их использование для управления процессом в реальном масштабе времени.

Отмеченные особенности ТОУ и опыт использования программного подхода говорят о том, что последний не может гарантировать достижения цели управления для каждой единицы продукции. Действительно, определение скоростных режимов как аналитическим, так и экспериментальным путем, крайне затруднено. Прессование изделий одного шифра из заготовок

различных плавок, имеющих, как правило, различные химсоставы, долж-

№

но осуществляться по различным скоростным режимам. Отсюда накопление скоростных режимов имеет весьма ограниченное значение. Если учесть также случайные колебания температуры нагрева заготовок и нестационарность температуры инструмента (особенно после переналадки или перерыва в прессовании), то становится очевидной неудовлетворительность программного управления при мелкосерийном и тем более единичном производстве. Таким образом, специфика ТОУ требует для достижения цели управления применение более сложных методов управления.

Все вышесказанное служит причиной разработки алгоритма управления скоростью с обратной связью по температуре, не требующего априорного задания скоростного режима. Ниже рассматривается адаптивный подход к управлению, отвечающий данным требованиям. При этом математиче-

екая модель процесса прессования позволяет (для случая осесимметричного прессования) количественно оценить влияние технологических параметров процесса на температуру изделия на выходе из очка матрицы и построить имитационную модель процесса прессования. Такой подход отвечает всем, сформулированным выше, требованиям системного подхода к разработке автоматизированных прессовых комплексов.

Известно [1] ... [15], что наибольший прогресс достигнут при прессовании изделий из низколегированных легкодеформируемых алюминиевых сплавов. Для производства этих изделий созданы автоматизированные линии, отличающиеся высоким техническим уровнем. Однако практически отсутствуют сведения об автоматизированных линиях для производства изделий из высоколегированных труднодеформируемых алюминиевых сплавов. В лучшем случае для этого используют автоматизированные комплексы. Причем, чем выше мощность гидравлических прессов, входящих в комплекс, тем ниже уровень их автоматизации. А именно на этих комплексах производятся крупногабаритные длинномерные изделия, находящие широкое применение в современном машиностроении. Разработка подобных комплексов и линий нуждается в надежной научной базе и новых технологиях производства.

Таким образом, разработка научных и технологических основ создания автоматизированных комплексов и линий горячего прессования изделий из высоколегированных труднодеформируемых алюминиевых сплавов, позволяющих совместить в едином технологическом потоке пластическое деформирование изделий на горизонтальном гидравлическом прессе с последующей термомеханической обработкой изделий с одного нагрева перед прессованием является актуальной. Особую актуальность эта проблема приобретает при крупногабаритных длинномерных изделий.

Предметом диссертации является разработка концепции математического и конструкторско-технологического обеспечения проектирования новых и функционирования действующих автоматизированных линий и комплек-

сов для производства крупногабаритных изделий из высоколегированных труднодеформируемых алюминиевых сплавов.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить аналитический сравнительный анализ существующих автоматизированных комплексов и линий горячего прессования изделий из алюминиевых сплавов.

2. Построить математическую модель процессов прямого прессования трубных и прутковых профилей. Определить место математического моделирования в комплексе проблем, связанных с управлением процессом прессования.

3. Сформулировать принципы управления процессами прессования изделий из алюминиевых сплавов.

4. Разработать теорию построения адаптивных систем управления процессами изотермического прессования.

5. Построить алгоритм управления процессом изотермического прессования.

6. Построить имитационную систему изотермического прессования.

7. Выполнить технологическое обеспечение функционирования автоматизированных комплексов и линий изотермического прессования крупногабаритных длинномерных изделий из высоколегированных труднодеформируемых алюминиевых сплавов.

8. Разработать эскизные проекты автоматизированной линии изотермического прессования, автоматизированного комплекса изотермического прессования и линии по производству крупногабаритных длинномерных изделий из высоколегированных алюминиевых сплавов.

9. Обобщить опыт проектирования и эксплуатации автоматизированных комплексов и линий изотермического прессования.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Список использованной литературы составляет 50 наименований.

По теме диссертации опубликована книга, 7 статей. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на трех всероссийских конференциях и научно-технических семинарах.

Автор благодарен своему руководителю профессору, доктору технических наук P.A. Вайсбурду и сотрудникам кафедры теоретической механики УрГАПС за помощь в работе.

Глава 1

Аналитический обзор существующих автоматизированных комплексов и линий горячего прессования изделий из алюминиевых сплавов

Процесс прессования применяется для обработки большого числа цветных металлов и сплавов. Наиболее широко этот процесс используется при производстве изделий из алюминия и его сплавов. Почти во всех странах выпуск прессованной продукции занимает второе место после выпуска плоского проката.

Обрабатывающая промышленность капиталистических стран представлена более 1500 заводами и цехами по обработке алюминия и его сплавов. Суммарная мощность предприятий около 11 млн.т. (без отливок), при этом мощности по производству прессованных и цельнотянутых профилей и труб составляют 25 ... 30%. Более 70% общего производства деформированных полуфабрикатов приходится на долю США, Японии, Германии, Франции, Италии и Великобритании [1].

Общее количество заводов по производству пресс-изделий превысило 500. На них эксплуатируется около 1200 прессов. Причем около половины из них (примерно 500) находится в США, где производится более 40% этих изделий. В Японии работает около 220 прессов. На долю Германии приходится 31 предприятие, где установлено около 100 гидравлических прессов, 40% из которых имеют усилие свыше 18 МН. В Италии имеется около 30 предприятий, на которых установлено около 80 гидравлических прессов (причем Италия занимает второе место в Западной Европе по производству прессованных профилей после Германии) [2, 3, 4, 5].

Основным направлением совершенствования прессового производства является переход от прессовых установок к автоматизированным прессо-

вым комплексам и линиям. При этом для производства профилей из низколегированных легкодеформируемых алюминиевых сплавов применяется главным образом процесс прямого прессования (без смазки). Для производства же профилей из высоколегированных труднодеформируемых сплавов в основном используется процесс обратного прессования. Габаритные и сложные профили изготовляются в основном методом прямого прессования, для производства полых профилей сложной конфигурации применяются язычковые или крестообразные матрицы (для свариваемых алюминиевых сплавов).

1.1. Типовая автоматизированная линия

Типовая автоматизированная линия прессования состоит из трех участков. Первый участок допрессовой подготовки слитков включает оборудование для штабелирования и загрузки слитков в нагревательную печь, на выходе из которой расположены установки для механической обработки слитков перед прессованием (резка, скальпирование и др.). Второй участок содержит пресс для прямого или обратного прессования со средствами механизации и автоматизации. На третьем участке расположено термомеханическое адъюстажное оборудование (устройство натяжения, оборудование для закалки прессуемых изделий в потоке, правильно-растяжная машина, установки для резки профилей в меру, укладчик профилей и др.).

В настоящее время определился состав оборудования на отдельных участках автоматизированных комплексов и линий [2, 5, 18]:

1. Печи и ножницы для последовательного отделения заготовок от слитков-столбов, работа которых согласована с конкретными технологическими и конструктивными параметрами прессовой установки и обеспечивает полное использование материала слитка-столба (минимизация отходов).

2. Скальпирующее устройство для зачистки поверхности заготовок (в том

случае, когда не предусмотрена токарная обработка слитков).

3. Автоматизированный и высокомеханизированный пресс прямого, обратного или универсального типа, в конструкции которого учтены особенности его работы в потоке.

4. Тянущее устройство (пуллер), совмещенное с ножницами (пилой).

5. Система для за�