автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка системы управления процессом литья с коррекцией технологических параметров на этапах заполнения формы и наложения давления на кристаллизующийся металл

На правах рукописи

Щелоков Михаил Евгеньевич

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЛИТЬЯ С КОРРЕКЦИЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ЭТАПАХ ЗАПОЛНЕНИЯ ФОРМЫ И НАЛОЖЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА КРИСТАЛЛИЗУЮЩИЙСЯ МЕТАЛЛ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2004

Работа выполнена во Владимирском государственном университете.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Коростелев Владимир Федорович

Официальные оппоненты:

доктор технических паук, профессор Халатов Евгений Михайлович

кандидат технических наук Черкасов Юрий Владимирович

Ведущая организация

ОАО «НИКТИД», г. Владимир

Защит сосюигся 22 декабря 2004 i. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.025.01 Владимирского государственного университет по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета.

Автореферат разослан «_» ноября 2004 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На рубеже веков благодаря достижениям в области разработки новых материалов традиционные штампованные стальные диски постепенно отходят на задний план и их место на рынке все более уверенно завоевывают легкосплавные диски преимущественно из алюминиевых сплавов. Автомобильные колеса представляют собой тот самый ответственный элемент конструкции, который сегодня влияет на динамические характеристики, долговечность, надежность, экономичность и безопасность автомобиля. Вопросы автоматизации управления формированием отливки заготовки автомобильного колеса разработаны недостаточно, и, как показывает теория формирования отливок, это управление возможно только на основе эффективного использования математического моделирования и современных средств информационно-вычислительной техники. Дальнейший прогресс в развитии транспортных средств также в значительной степени зависит от уровня и степени совершенства автоматизации технологических процессов, используемых при их производстве.

Во Владимирском государственном университете в течение ряда лет проводятся научно-исследовательские работы по автоматизации управляемого процесса литья с кристаллизацией под давлением. В этих работах принимал непосредственное участие автор данной диссертации.

Основные направления исследований в диссертации связаны с построением математических моделей и алгоритмов для процесса литья с наложением давления, разработкой соответствующей оснастки и технологического процесса, разработкой математического и программного обеспечения технологических комплексов для литья с наложением давления.

Целью диссертационной работы является совершенствование управления процессом производства металлопродукции типа автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов на основе исследования и отработки режимов литья и наложения давления, обеспечивающих увеличение прочности, снижение массы, повышение точности, экономию материалов и улучшение качества поверхности.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить аналитический обзор научно-технических материалов по автоматизации производства металлопродукции типа автомобильных колес, определить круг задач и подходы к их решению;

2. Обосновать необходимость создания нового автоматизированного процесса производства заготовок типа автомобильных колес литьем с наложением давления и сформулировать

3. Разработать матемагическую модель теплового взаимодействия расплава с материалом формы в процессе заполнения во взаимодействии с гидроприводом пресса;

4. Разработать технологический комплекс, создав информационно-измерительную систему, алгоритмическое и программно-аппаратное обеспечение для автоматизации процесса производства металлопродукции литьем с наложением давления;

5. Провести экспериментальные исследования и отработать оптимальные режимы 1ехиологии производства заготовок типа автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов;

6. Создать систему управления процессом производства металлопродукции литьем с наложением давления.

Методы исследований. В работе использованы теоретико-экспериментальные методы исследований, базирующиеся на положениях теории авюмагического регулирования, теплофизики, гидравлики, термодинамики, теории литейных процессов, методах планирования эксперимента. Методологическую и теоретическую основу составили труды отечественных и зарубежных авторов Е.П. Попова, В.А. Бессекерского, Ю.П. Адлера, А.К. Белопухова, А.И Батышева, В.В. Маркова, Г.К. Круга, Н.Н. Белоусо-ва, А.А. Бочвара, Г.И. Тимофеева, К. Рейсдорфа и др.

Научная повита работы:

• Получены математические модели технологического процесса в виде регрессионных уравнений, позволяющие выразить качественное и количественное влияние параметров технологического процесса на выбранные показатели качества: шероховатость, лекальные дефекты, иористость и предел прочности при растяжении;

• Разработан общий критерий оценки качества для технологического процесса производства заготовок типа автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов литьем с наложением давления, предназначенный для количественной оценки качества изделия в реальном масштабе времени;

• Разработан алгоритм корректировки технологических параметров процесса автоматизированного производства заготовок автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов литьем с наложением давления на основе общею критерия оценки качества управления и математических моделей технологического процесса, который позволяет определить оптимальные технологические режимы и эффективно управлять процессом для получения качественного изделия;

• Автоматизирован новый технологический процесс производства металлопродукции на примере автомобильных колес, отличающийся тем, что

в нем совмещены и контролируются операции вакуумирования полости формы, заполнения формы расплавом и наложения давления на металл;

• Одним из наиболее важных результатов выполненной работы еле-дует считать создание системы управления процессом, способной формировать знания о разрабатываемом процессе, улучшать и совершенствовать качество продукции, автоматизировать ее производство.

Практическая ценность работы. Разработанные математические модели и резулыаты экснериментальных исследований использованы при создании управляющей программы и внедрены при производстве отливок заготовок из прецизионных сплавов на ЗАО НПЦ «ИНОР» в г. Королеве.. Оборудование, алгоритмы и программы используются в учебных курсах «Проектирование систем управления», «Автоматизация производственных процессов», «Автоматизация технологических процессов» при подготовке инженеров по специальности 210200 - Автоматизация технологических процессов и производств во Владимирском государственном университете.

На защиту выносятся:

• математические модели технологического процесса в виде регрессионных уравнений, позволяющие выразить качественное и количественное влияние параметров технологического процесса на показатели качества отливки;

• общий критерий оценки качества для технологического процесса производства заготовок литьем с наложением давления предназначенный для количественной оценки качества изделия в реальном масштабе времени; ,

• алгоритм корректировки технологических параметров процесса автоматизированного производства заготовок литьем с наложением давления на основе общею критерия оценки качества и математических моделей технологического процесса, который позволяет определить оптимальные технологические режимы и эффективно управлять процессом для получения качественной металлопродукции;

• методика разработки систем управления процессом литья с наложением давления с коррекцией технологических параметров на этапах заполнения формы и наложения давления на кристаллизующийся металл.

Обоснованность научных материалов. Основные научные положения, выводы и рекомендации являются обоснованными, что подтверждается использованием известных положений теории автоматического регулирования, теплофизики, гидравлики, термодинамики, теории литейных процессов и методов планирования эксперимента. Исследования по теме выполнялись с применением метрологически аттестованных датчиков и измерительных систем. Полученные теоретические зависимости сравнивались с экспериментальными результатами.

Реализация и внедрение результатов работы. Использование разработанных методик и средств автоматизации на ЗАО НПЦ «ИНОР» в г. Королеве при производстве отливок заготовок из прецизионных сплавов обеспечивает повышение коэффициента использования металла с 0,4 - 0,6 до 0,80 - 0,85 при одновременной стабилизации качества металлопродукции.

Апробация работы, Содержание и основные результаты работы докладывались на 5-й Международной научно-технической конференции «Производственные технологии и качество продукции», ВлГУ, 2003 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», Н. Новгород, 2003 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения на современном этапе», ВлГУ, 2003 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе две в центральной печати (журнал «Мехатроника, автоматизация, управление») и получено положительное решение о выдаче патента на изобретение заявка № 2002121202/02(022306) приоритет от 05.08.2002 г.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 238 страницах машинописного текста и включает 87 рисунков, 19 таблиц, 7 приложений, библиографический список, состоящий 122 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, показана ее актуальность и сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе рассматриваются вопросы автоматизации производства заготовок автомобильных колес, дан анализ возможностей управления параметрами технологии производства заготовок литьем под высоким давлением и сформулировано технико-экономическое обоснование процесса автоматизированного производства заготовок литьем с наложением давления на примере легкосплавных автомобильных колес. Изложены предпосылки и необходимость проведения исследований, приведена характеристика проблемы и намечены пути ее решения.

Воспользуемся следующим методом предварительной оценки того положения, которое занимает разрабатываемый процесс, назовем его литьем с кристаллизацией под давлением (ЛКД), по отношению к процессам штамповки дисков из стали (ШС), литья под низким давлением (ЛНД) и штамповки из высокопрочных алюминиевых сплавов (ША). В качестве критерия (К) оценки примем безразмерное отношение качества

продукции (¡2) к рыночной стой М)о С-®- и п р ,и ч е м конкурентоспособность, очевидно, будет тем выше, чем выше сумма баллов, характеризующих качество, и чем ниже сумма баллов, связанных с формированием стоимости. Для оценки качества в группе основных показателей назовем динамичность (И'), дизайн (Д), прочность (<т), пластичность. (<5), коррозионную, стой кость (К). Таким образом,

д = + а2Д + а,а + аА3 + ^ ^

где й/, а2, ... - весовые коэффициенты при соответствующих показателях. С учетом того, что наиболее приоритетными показателями являются динамичность и дизайн, приняты следующие значения показателей: Ж = 3; Д — 2; а = 1,5; 5 — 1; К = 0,75. Стоимостными показателями при этом являются затраты на исходные материалы (М), технологические издержки (7), заработная плата (2), амортизация оборудования (V), налоги (Ы) и прибыль (£/). Как и в предыдущем случае просуммируем баллы по показателям с учетом соот ветствующих весовых коэффициентов

$=ь,м+ь;гъу+ь5/У+ьйи ^

В работе принято, что М — 2; Т— 1,5; Ъ = 1; ¥= 2; = 2; (/= 1.

По поводу значений показателей необходимо сказать, что здесь приведены их ориентировочные значения. Безусловно, в каждом конкретном случае расчет эти значения могут быть скорректированы. Результаты расчетов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Сравнительный анализ процессов производства дисков автомобильных колес

Месовме коэффициент шс лнд 111А лкд

а,]¥ 0,5-3 0,7-3 1-3 0,8-3

аД 0,5-2 1-2 0,8-2 0,9-2

0)4 1-1,5 0,5-1,5 М,5 0,8-1,5

а4д М 0,5-1 1-1 0,8-1

а ¡К 0,5 0,75 0,8-0,75 0,9 0,75 0,9 0,75

е 5,37 5,97 7,775 7,075

ь,м 0,3-2 0,4-2 1-2 0,2-2

Ь3т 0,2-1,5 0,21-5 Н,5 0,2-1,5

ь3г 0,1-1 0,3-1 - ы- 0,3-1

Ь4У 0,1-2 0,1-2 ■ 1-2 0,3-2

0,2-2 0,3-2 1-2 0,2-2

ь6и 0,1-1 0,2-1 1-1 0,4-1

$ 1,7 2,4 9,5 2,4

к 3,15 2,48 0,82 2,94

При определении всех весовых коэффициентов, кроме для

процесса ША значения приняты равными 1. Эго понято, потому что другие процессы составляют некоторую часть как по качеству, так и по зафатам. Значение = 1 приписано литым колесам, где возможное!и варьирования дизайном самые высокие. Значение = 0,9 самое высокое у ША и ЛКД. Значения Я;, а} , (14 у ЛКД с учетом отсутствия серийной технологии взяты заниженными, а Ь/ - Ьц несколько завышенными, по сравнению с их фактическими значениями, полученными при изюговлении опытных отливок.

Стоимость ЛКД-дисков может быть ограничена до 50$ (на 10$ дороже литых из силумина) при максимальном приближении к ША-дискам как по динамичности, так и по механическим свойствам, при этом критерий К=2,94 примерно такой же как у ШС и ЛНД-дисков, но значительно более высокий, чем у ША-дисков. Преимущества ЛКД-дисков основываются на существенном снижении затрат на исходные материалы. При соответствующен организации производства в качестве шихты можно использовать вторичный металл oт переплава колес, прошедших полный жизненный цикл. В этом случае стоимость ЛКД-дисков можно снизить еще на 5... 10$. За счет автоматизации и использования сравнительно недорогого оборудования можно снизить затраты, заложенные на технологию, зарплату и амортизацию оборудования.

В первой главе также определены наиболее важные с точки зрения автоматизации процесса параметры но эффективности и управляемости. С эюй точки зрения наиболее существенными являются параметры скорости заполнения, наложения давления, вакуумирования и смазки полости формы. Для количественной оценки параметров, автоматизации и внедрения необходимо провести дополнительные исследования и согласовав технологические режимы с развитием формирования отливки но времени.

Вторая глава посвящена исследованию и моделированию процессов заполнения и охлаждения во взаимодействии с исполнительным идроприводом. В главе содержится подробное описание математических моделей процесса заполнения формы, процесса охлаждения отливки и исполнительного гидроцилиндра. Проведен анализ технологического процесса производства заготовок автомобильных колес и поставлены цель и задачи моделирования. Для моделирования процесса заполнения рассматривался преобразованный в плоский канал сектор отливки, моделировались различные варианты начального перегрева расплава для различных толщин канала с наличием смазки и без псе при турбулентном и ламинарном течениях расплава. Процесс охлаждения отливки был рассмотрен с применением метода конечных элементов, расчет проведен

для разных начальных температур перегрева расплава и нагрева формы с наличием смазки и без нее. Моделированием исполнительного гидропривода оценены его динамика и возможность заполнения формы за рассчитанное время.

Взяв сектор отливки, представим процесс течения расплава, теплового взаимодействия и заполнения формы в виде следующей схемы (рис.1, стрелками показаны пути течения расплава), применимой к ряду типовых отливок сложнокорпусных деталей.

Тепловые условия формирования отливки определяют в первую очередь продолжительность заполнения рабочей полости формы. Оптимальную продолжительность заполнения, обеспечивающую свариваемость отдельных капель и струй металла, подсчитывают из условия, что ]емпература металла в наиболее удаленном от питагеля сечении не

должна падать ниже Т или темпе- .>„„ . л>„„„„ п„ .„,„„„„_„„„_/„„„, сом Ряс. 1. Схема течения расплава (слева -

ратуры, при которой продвижение продольное сечение спицы и прилегаю-

потока становится невозможным.

рот сектора обода)

Уравнения Навье-Стокса, описывающие движение сплошной среды, выведены из условия непостоянства вязкости. При литье под давлением в процессе заполнения литниковой системы и формы металл интенсивно охлаждается, а вязкость его повышается. Этим изменением вязкости нельзя пренебрегать при определении скоростей и давлений в потоке. Чтобы система стала полной, необходимо присоединить к ней еще два уравнения - неразрывности и притока тепла. Для решения задачи в полости формы, подобной прямоугольной пластине, систему уравнений можно упростить. Учитывая все допущения, получена следующая система уравнений движения потока расплава в форме:

о(дТ/дх) = ам(дгТ/дх2 +'д2т/ду2) + у/[(р2ис)(до/ду)]2. (3)

На рис. 2 приведены графики продолжительности заполнения формы, полученные в результате расчетов по системе уравнений (3). Так при толщине слоя меловой краски перегрев расплава

Этого достаточно, чтобы время заполнения в ламинарном режиме привести в соответствие со временем снятия теплоты перегрева.

После окончания заполнения наилучшими тепловыми условиями

будут такие, которые могут обеспечить качественную подпрессовку металла

Рис 2 Результаты моделирования продолжительности заполнения формы при начальных условиях 7^Л„=800 °С, 7^=200 "С, сгй, ,—5 10 мм, мм

Для непрерывного питания отливки металлом в процессе подпрессовки необходимо, чюбы питатель затвердевал не раньше, чем затвердеет наиболее тонкое сечение отливки Цель моделирования процесса охлаждения - определение временных интервалов, в течение которых различные части отливки охлаждаются до температуры начала кристаллизации и наилучших условий для эффективного наложения давления, результаты моделирования даны на рис 3

Рис 3 2 мерная конечно элементная модель отливки в форме и результаты модели-

рования продолжительности процесса охлаждения отливки в стальной форме Ln.iT700 °С, 7^=150 "С, Такрср= 30 °С, ^,=0,1 мм

Решалась задача нестационарной теплопроводности, расчет производился при помощи метода конечных элементов на основе следующего уравнения:

Для оценки возможности заполнения формы за рассчитанное время также необходимо промоделировать исполнительный гидропривод.

На основании общепринятого допущения об отсутствии утечек в гидроцилиндре с резиновыми и другими мягкими уплотнениями уравнения динамики гидроцилиндра имеют вид

V» = tn ' \р, F, - Pj Ft - hv„ - +klPl+ kj p,) sign vt - R,, j

z,=v4 0 <zk<Ln.

- Р^—ь-

; ш'> . (5)

Моделирование проводилось в модуле Simulmk математического паке га MatLab (рис. 4), время перемещения штока гидроцилиндра при расходе 20 л/мин и 40 л/мин составило 10,5 и 6,5 с соответственно.

Рис. 4 Модель исполнительного гидроцилиндра с постоянной подачей от насоса реализованная в пакете MATLAD б 0

В главе показано, что для отливок из алюминиевых сплавов, с толщиной стенки от 5 до 10 мм и с длиной пути течения расплава вдоль стенок 100 - 200 мм с площадью поверхности контакта расплава и формы 25000 - 40000 мм имеются возможности их качественного изготовления.

В третьей главе рассмотрены пути повышения качества заготовок, влияние, которое оказывают внешние воздействия на качество отливок

заготовок. Предложен способ управления работой гидропривода изменением частоты и длительности импульсов управляющего сигнала программно от ЭВМ. Рассчитано время запаздывания командного сигнала и определено быстродействие гидропривода. Разработаны методика проведения экспериментальных исследований, общий критерий качества для технологического процесса производства заготовок типа автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов литьем с наложением давления.

Назначим показатели качества (ПКО) отливок - заготовок для автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов:

Таблица 2

Показатель Обозначение показателя Значение показа)ели

Шероховатость поверхности Ка(Кг), мкм У) 0,63...6

Лекальные дефекты ЛД, баллы У2 1...5

Порисгость Пот, см*/100 г Уз 0,35...2,6

Предел прочности при растяжении оц, МПа У4 160...280

Выберем основные переменные параметры технологического процесса (ПТП), от которых зависит качество отливок ПКО^/ЩТП): ____________________________1_Таблица 3

Параммр Обозначение параметра Значение параме!ра

Темпера! ура заливаемого расплава, "С X/ 660...900

Температура формы, °С Х2 0...300

Разрежение в полости формы, кПа хз 7...50

Толщина слоя смазочно! о материала, мм Х4 0,05...0,5

Скорость заполнения, мм/с X; 0...60

Давление на загвердевающий расплав (усилие на плунжере), МН Хб 0...3

Частота пульсации давления, Гц X? 0...12

Введем шкалу желательности для рассматриваемого процесса (рис. 5). На основе данной шкалы можно преобразовать частные отклики (наши ПКО) в частные функции желательности и построить обобщенный показатель Б, названный Харрингтоном обобщенной функцией желательности,

обобщать, т.е. переходить от ¿11 кпрЪдлагается по формуле й = •

V 1.-1

Обобщенная функция желательности является количественным однозначным, единым и универсальным показателем качества исследуемого объекта, ее можно использовать в качестве критерия оптимизации, т.е. и есть общий критерий качества.

Матрица планирования экс- ^ перимента составлялась из 7 ПТП 1 для для проведения дробно-факюрною эксперимента (ДФЭ), она представляет собой 1/16 реплику от иолнофакторного эксперимента (ПФЭ) а , что дало воз- 0 5 можность сократить число опытов до 8 вместо 128.

Далее в главе разрабатывается и создается программно-аппаратный технологический комплекс для управления технологическим оборудованием и исследования технологическою процесса производства заголовок автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов

1'ис. 5 Шкала желаи-льности дта процесса

литьем с наложением давления.

ан юмобильпых колес из высокопрочных алюминиевых сплавов

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса производства заготовок автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов литьем с наложением давления. Исследования проводились нaтyрнo на разработанном технологическом комплексе в условиях максимально приближенных к производственным. После подготовки и настройки комплекса на проведение исследований в соответствие с матрицей планирования эксперимента отрабатывались изменения технологических параметров. Вся полученная информация сохранялась в базе данных об экспериментах, обрабатывалась меюдами магематической статистки и анализировалась. В итоге после обработки результатов экспериментов были получены математические модели в виде уравнений регрессии для выбранных в третьей главе показателей качества, их адекватность проверялась при помощи Р -критерия Фишера. Проведена интерпретация моделей.

Результаты всех экспериментов по значениям ПКО были сведены в таблицы и обработаны. Обработка результате ДФЭ методами математической статистики (репрессионный анализ) дает возможность вычислить коэффициенты регрессии в уравнениях общего вида:

Н / I (</ н>,ег^

4 5 6 7Х]Х2Х2Х4Х5Х6Х7

(6)

Оценки коэффициентов легко находятся по формуле

После определения оценок коэффициентов регрессии необходимо проверить гипотезу о значимости коэффициентов Ь, (проверка нуль-гипотезы: Д =0). Гипотеза о значимости коэффициентов Ь, проверена с помощью критерия Стыодента. Критерий Стьюдента подтвердил, что все коэффициенты являются значимыми при уровне значимости 5%, кроме Ъ¡4, Ьц, Ьм> Ьц И Ь}7. Таким образом, получены следующие уравнения регрессии: Ка = у, = 4.3335-0,7375*,, + 0,6625*12 + 1,2125х,3 -1,0625*,6 +0,4625х„; ЛД=у2 = 2,875-0,625д;г1 + 0,625х22 + 0,б25хи + 0,625х„ + 0,125хм + 0,875х„; ( Пои = у,= 0,7305+0Д9125х32-0,14625*33-0,10375хм +0,13875*,5-0,35125х36; ^ ав = \\ = 209,5 -10,5*41 +11,5*42 + 5,75*43 -17,5х44 + 24,25*45 + 39,75х44 + 2,25*47.

Далее проверена гипотеза об адекватности полученных моделей при

2 2

помощи Ж -критерия Фишера: р _ "м - т.

''й ''

Вычисленные численные значения критериев для ПКО _У/, уг, Уз, у4 меньше соответствующих при уровнях значимости 5 %. Гипотеза адекватности наших регрессионных уравнений принимается. Анализ полученных математических моделей (8) показывает, что наиболее существенно на качество отливок влияют скорость заполнения формы X} и давление прессования Хс, менее существенно - начальная температура расплава Xначальная температура формы X], разрежение в полости формы *з, ее смазка Х4 и пульсация давления ху.

В пятой главе даны рекомендации по совершенствованию технологического оборудования и разрабатывается система управления процессом литья с наложением давления. Разработана структурная схема гидропривода с адаптивной системой управления на базе ЭВМ, получены передаточная функция разомкнутой системы и передаточная функция замкнутой системы, охваченной обратной связью по положению, для анализа устойчивости применен алгебраический критерий Рауса-Гурвица. На основе общего критерия качества заготовок разработан вычислительный алгоритм для корректировки параметров технологического процесса. Разработанную систему управления можно отнести к адаптивным со встроенной моделью.

Обобщенно, с учетом контроля параметров и корректировки на их основе текущего процесса изготовления представим нашу систему управления в виде структурной схемы (рис. 6).

Рис 6 Структурная схема привода с адаптивной системой управления

Для дальнейшей разработки системы управления процессом как видно из рис. 6 необходимо разработать алгоритм

формирования корректирующих сигналов для системы управления на базе ЭВМ. С учетом разработанного раннее общего критерия качества и основываясь на нем, можно несколько уточнить и предложить следующую схему движения и обработки информации в системе управления (рис. 7).

Рис. 7. Общая схема движения и обработки информации в системе управления

Исходя из схемы движения и обработки информации в системе управления, представленной на рис. 7, необходимо стремиться к оптимальным областям ПТП, назначив приоритеты их последовательного перебора. Предлагаемый алгоритм представлен на рис. 8, он может быть расширен, адаптирован и применен для автоматизации технологических процессов при производстве как заготовок типа автомобильных колес других конструкций и типоразмеров, так и для широкой гаммы изделий, производимых по технологии литья с наложением высокого давления.

До начала процесса оператор вводит необходимую информацию для процесса, которую не выдает информационно-измерительная система: коэффициенты регрессионных уравнений, толщину смазки, температуру расплава, циклограмму работы и др. Во время процесса после запуска программы на выполнение информационно-измерительной системой снимаются показания с датчиков. Вся информация во время протекания процесса выводится на дисплей для контроля оператором После

получения текущих значений показаний датчиков происходит вычисление показателей качества отливки (8), их перевод по шкале желательности в частные желательности (рис. 5) и вычисление общего критерия качества. После определения общей желательности происходит выбор дальнейшего поведения системы: для значений общей желательности больше 0.80 система поддерживает текущие параметры процесса, для значений 0 80 — 0.37 корректирует значения параметров, для значений меньше 0,37 выдает оператору сообщение о невозможности корректировки параметров технологического процесса и рекомендации по необходимой корректировке либо устранению неисправностей оборудования.

( шчшю ^

_ "3

Ввод данных оператором циклограмма работы хг х, х,

Снятие показании с информационно-иэмеригельнои системы хг ху

г

/

_ /Информация \ ~ » опеввтои* I

Вычисление

На-у 3335-0 7375*„+0 6625тн + 12125/,,-10625*,,+0 4625* , ЛМхугл2т-0 625х„+1)623хп+1>625ха+1)62$хи+1Н2}1н+0в7К„ Л^.у.-О 7305 + 019125*,,--0!4<>25х,,-010375*>4+-013в75*„-035125*„ алшГ{т 2095 _Ю5Гу И И*,, + 5 75*, -17 5*^+24 +

Перевод по цлсвлв желательно™

Нашу -»с/ дв- у,-к*, Лви-Л-Щ

ег, - У, _

Вычисление общего критерия качесюа

ч

У Информация — -►( оператору

(А)

Выбор

параметра и

вычисление

значения его

коррекции

Информация \ оператору \ На лд п0„ I

о» 4 «/, <1Ь!

)

Коррешровкв ] процесса |

' Информация \ оператору )

?.Г

Поддержание 1 значений текущих параметров

В*

Нет программа

закончилась?

! Брак Останов процесса Корректировка неисправностей оператором Выдача оператору значении параметров и рекомендаций по корректировке _

-

Сравнение и сортировка по порядку возрастания Л Л, Л, а.

Выбор наименьшего по" качеству регрессионного

_уравнений _

Рис 8 Предлагаемый алгоритм одного цикла изготовления

Корректировка значений параметров происходит по

алгоритму,

составленному на основе интерпретации полученных регрессионных уравнений (8).

На базе

разработанной автоматизированной системы управления технологическим процессом литья с наложением давления предполагается создание гибкого автоматизированного производства заготовок

автомобильных колес,

предложены схема

управления

автоматизированным

производством

заготовок

типа автомобильных колес литьем с наложением давления и схема рабочей группы участка гибкого автоматизированного производства

заготовок автомобильных колес. Даны рекомендации по совершенствованию технологической оснастки и оборудования для автоматизированного производства заготовок автомобильных колес.

Результаты предварительных испытаний автоматизированной системы управления технологическим процессом литья с наложением давления оценены и проверены на соответствие изделий ГОСТ Р 50511-93 - Колеса из легких сплавов для пневматических шин и ГОСТ 24.104-85 -Автоматизированные системы управления.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнены обзор и анализ научно-технических материалов. Дано технико-экономическое обоснование производства заготовок автомобильных колес, показано, что создание такого производства требует проведения исследований и разработки системы автоматизированного управления.

2. Моделирование процессов заполнения формы, охлаждения отливки и исполнительного гидроцилиндра показало, что эффективное наложение давления на кристаллизующийся металл возможно только при контроле и регулировании режимных параметров процесса в таких границах, когда на момент окончания заполнения и начало подпрессовки температура расплава в самых крайних точках пути течения остается не ниже температуры ликвидус. Изменением гидродинамических режимов течения и снижением интенсивности отвода теплоты от расплава, от которых зависит время заполнения, обеспечить наложение давления до начала кристаллизации отливки представляется возможным. Причем, при величине перегрева расплава 140 К и более, ламинарном течении и слое графитовой смазки от 0,1 мм гидропривод с рабочей площадью поршня не более 0,02 м2 и расходом масла в рабочую полость от 40 л/мин имеет возможность отработать необходимые режимы заполнения.

3. Разработана методика проведения исследований и отработки алгоритмов и управляющих программ для технологических комплексов литья с наложением давления; разработанная методика позволяет генерировать новые знания о закономерностях сложных явлений и процессов при наложении давления на жидкий и кристаллизующийся металл.

4. Проведены экспериментальные исследования процессов заполнения формы и охлаждения отливки во взаимодействии с исполнительным гидроприводом, в результате разработаны математические модели процесса при изготовлении заготовок тина автомобильных колес, математические модели представлены в виде регрессионных уравнений для выбранных показателей качества шероховатости поверхности, лекальных дефектов, пористости и предела прочности при растяжении.

5. Разработаны и предлагаются шкала желательности и общий критерий качества технологического процесса изготовления заготовок автомо-

бильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов литьем с наложением давления, они позволяют проводить количественную оценку качества получаемых изделий.

6 Разработана автоматизированная система управления технологическим процессом производства заготовок автомобильных колес литьем с наложением давления, отличающаяся тем, что в ее основу положен алгоритм корректировки параметров технологического процесса, разработанный на базе вычисления общего критерия качества, с последовательной коррекцией параметров исходя из проведенной интерпретации полученных регрессионных уравнений.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Коростелев В.Ф., Щелоков М.Е., Мартынов Е.И. Разработка системы адаптивного управления для процесса литья с наложением давления // Производственные технологии и качество продукции: Материалы V Меж-дунар. науч.-техн. конф. -М.: «Новые технологии», 2003. - С. 171-181.

2. Коростелев В.Ф., Клименко М.Е., Щелоков М Е. Мехатронная система управления процессом кристаллизации металла // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2003. - №4. - С. 14-22.

3. Коростелев В.Ф., Щелоков М.Е., Мартынов Е.И. Специализированное программное обеспечение для процесса литья с кристаллизацией под давлением // Проблемы машиностроения на современном этапе: Материалы науч.-техн. конф. механ.-техн. фак.- Владимир, 2003. -С. 10-12.

4. Коростелев В.Ф., Щелоков М.Е., Игошин А.В., Гришин Н.Н. Программно-корректируемое управление наложением давления при литье автомобильных дисков // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2003, -№10,-С. 8-14.

5. Щелоков М.Е., Мартынов Е.И. Разработка измерительной системы для быстропротекающих тепловых процессов при литье с кристаллизацией под давлением алюминиевых сплавов // Мехатроника, автоматизация, управление: Тр, Первой всерос. науч.-техн. конф. - М.: «Новые технологии», 2004. - С. 452 - 456.

6. Коростелев В.Ф., Сергеев А.В., Щелоков М.Е., Хромова Л.П., Хромов А.В. Положительное решение о выдаче патента «Способ литья под давлением и устройство для его осуществления» на изобретение от 01.11.2004 г. заявка № 2002121202/02(022306) приоритр-рт 05.08.2002 г.

ЛР № 020275. Подписано в печеть 17.11.04. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Таймс. Печать на ризографе. Усл. печ л. 1,16. Уч.-изд л. 1,40. Тираж 100 экз.

Заказ 363-2 ООЧ г

Редакционно-издательский комплекс Владимирского государственного университета. 600000, Владимир, ул. Горькою, 87.

125267

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ТИПА АВТОМОБИЛЬНЫХ КОЛЕС.

1.1. Современное состояние вопроса автоматизации производства заготовок автомобильных колес

1.2. Анализ возможностей управления параметрами технологии производства заготовок литьем с наложением давления

1.3. Технико-экономическое обоснование автоматизации производства отливок сложной конфигурации

1.4. Выводы

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ЗАПОЛНЕНИЯ И ТЕПЛОВЫХ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ОТЛИВКИ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ГИДРОПРИВОДОМ.

2.1. Анализ технологического процесса производства заготовок автомобильных колес, постановка цели и задач моделирования

2.2. Разработка математических моделей

2.2.1. Моделирование процесса заполнения формы

2.2.2. Моделирование процесса охлаждения отливки

2.2.3. Моделирование исполнительного гидропривода

2.3. Анализ результатов математического моделирования

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ И СОЗДАНИЕ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО КОМПЛЕКСА.

3.1. Анализ путей повышения качества заготовок

3.2. Разработка методики проведения экспериментальных исследований

3.3. Технологическое оборудование и оснастка

3.4. Исполнительные устройства и механизмы

3.5. Информационно-измерительная система

3.6. Система управления на базе ПК

3.7. Алгоритмическое и программное обеспечение

3.8. Выводы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ТИПА АВТОМОБИЛЬНЫХ КОЛЕС.

4.1. Постановка планируемых экспериментов

4.2. Анализ полученных результатов и выявление общих закономерностей заполнения форм и поведения металла при наложении давления

4.3. Стабилизация параметров процесса, соответствие свойств отливок предъявляемым требованиям

4.4. Выводы

ГЛАВА 5. СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА И АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК НА ЭТАПАХ ЗАПОЛНЕНИЯ ФОРМ И НАЛОЖЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА

КРИСТАЛЛИЗУЮЩИЙСЯ МЕТАЛЛ

5.1. Специальные требования к технологическому оборудованию

5.2. Разработка системы управления процессом, алгоритмов обработки информации и коррекции параметров технологии.

5.3. Создание гибкого автоматизированного производства отливок сложной конфигурации литьем с наложением давления

5.4. Выводы

Современные тенденции развития автоматизации в машиностроении связаны с математическим моделированием и информационным обеспечением процессов производства высококачественных изделий и заготовок с минимальными затратами ресурсов. В этой связи целью автоматизации все больше становится управление технологическими процессами в режимах, обеспечивающих наилучшее соответствие между качеством продукции и затратами на ее изготовление.

Развитие техники литейного производства привело к созданию систем автоматических машин, автоматических линий и автоматических комплексов машин для литья в кокиль и под давлением. Отличительным элементом литейной технологии является то, что обрабатываемый материал приобретает не только определенную конфигурацию, но и свойства во время перехода из жидкого состояния в твердое. Этот переход, условия его протекания во многом определяют качество изделия — отливки, а также производительность процесса и, в конечном счете, эффективность производства. На основе знания закономерностей протекания этих процессов необходимо создавать оборудование, позволяющее в режиме реального времени управлять формированием свойств отливок.

Производственный опыт показывает, что «манипуляционная» сторона автоматизации производства отливок, заключающаяся в изготовлении формы, ее сборке или разборке, установке стержней и т.д., уже нашла решение в современных системах литейных машин и автоматических линий. Однако возникает много проблем, связанных как раз с качеством отливок, определяемым правильным учетом закономерностей процессов формирования отливок. Поэтому вторая сторона автоматизации производственных процессов изготовления отливок — автоматизация управления процессами, протекающими при формировании отливки^ становится на данном этапе развития литейной технологии важнейшей. Отметим, что вопросы автоматизации управления формированием отливки разработаны недостаточно, и, как показывает теория формирования отливок, это управление возможно только на основе эффективного использования математического моделирования и современных средств информационно-вычислительной техники.

Совершенно очевидно, что дальнейшее совершенствование литейной технологии, создание действительно автоматических систем машин для изготовления отливок должны основываться, прежде всего, на управлении процессом формирования качественной отливки.

Дальнейший прогресс в развитии транспортных средств также в значительной степени зависит от уровня и степени совершенства автоматизации технологических процессов, используемых при их производстве.

Благодаря достижениям в области разработки новых материалов традиционные штампованные стальные колеса для автомобилей постепенно отходят на задний план и их место на рынке все более уверенно завоевывают легкосплавные колеса преимущественно из алюминиевых сплавов.

Автомобильные колеса представляют собой тот самый ответственный элемент конструкции, который сегодня определяет динамические характеристики, долговечность, надежность, экономичность и экологичность автомобиля. Несмотря на высокие достижения в создании заменителей обычных стальных штампованных автомобильных колес, даже лучшие из них, такие как титановые, штампованные из алюминиевых сплавов и литые из магниевых сплавов не в полной мере отвечают постоянно растущим требованиям по точности балансировки, имеют неоправданно большую массу, а их производство обходится дорого. На рынке сложилось перепроизводство автомобильных колес, которые по показателю цена/качество являются недоступными для массового покупателя. Поэтому цель данной работы и задачи исследований сводились к поиску таких вариантов управления технологией, которые при более низких затратах на производство обеспечивают требуемое качество заготовок для автомобильных колес и именно автоматизация позволяет решить эту проблему.

Объектом исследования и разработки является технология производства заготовок сложной конфигурации литьем с наложением давления, а предметом - автоматизация и управление производством заготовок легкосплавных автомобильных колес, основанным на использовании высокого давления, как на стадии заполнения формы, так и во время кристаллизации металла.

Целью диссертационной работы является автоматизация управления процессом производства продукции типа автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов на основе исследования и отработки режимов литья и наложения давления, обеспечивающих увеличение прочности, снижение массы, повышение точности, экономию материалов и улучшение качества поверхности.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи: выполнить аналитический обзор научно-технических материалов по автоматизации производства металлопродукции типа автомобильных колес, определить круг задач и подходы к их решению; обосновать необходимость создания нового автоматизированного процесса производства заготовок типа автомобильных колес литьем с наложением высокого давления и сформулировать задачи управления; разработать математическую модель теплового взаимодействия расплава с материалом формы в процессе заполнения во взаимодействии с гидроприводом пресса; разработать технологический комплекс, создать информационно-измерительную систему, алгоритмическое и программно-аппаратное обеспечение для автоматизации процесса производства металлопродукции литьем с наложением давления; провести экспериментальные исследования и отработать оптимальные режимы технологии производства заготовок типа автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов; создать систему управления процессом производства металлопродукции литьем с наложением давления.

В работе использованы теоретико-экспериментальные методы исследований, базирующиеся на положениях теории автоматического регулирования, теплофизики, гидравлики, термодинамики, теории литейных процессов, методах планирования эксперимента, методах объектно-ориентированного программирования. Методологическую и теоретическую основу составили труды отечественных и зарубежных авторов Е.П. Попова, В.А. Бессекерского, Ю.П. Адлера, А. К. Белопухова, А.И. Батышева, В.В. Маркова, Г.К. Круга, Н.Н. Белоусова, А.А. Бочвара, Г.И. Тимофеева, К. Рейсдорфа и др.

Ключевые слова: автомобильное колесо, легкосплавный диск, управление качеством отливок, литье с наложением давления, программно-корректируемое наложение давления, вакуумирование полости формы, сжимаемость расплавленного металла, компенсация усадки, режим заполнения, тепловое взаимодействие, прочность, масса, точность, управление параметрами технологии, автоматизированная система управления.

Аннотировано диссертационная работа содержит следующие разделы:

Во введении дана общая характеристика работы, показана ее актуальность и сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе рассматриваются вопросы автоматизации производства заготовок автомобильных колес, дан анализ возможностей управления параметрами технологии производства заготовок литьем под высоким давлением и технико-экономическое обоснование процесса автоматизированного производства заготовок типа автомобильных колес литьем с наложением давления. Изложены предпосылки и необходимость проведения исследований, дана характеристика проблемы и намечены пути ее решения.

Проведен анализ основных путей повышения качества литых изделий. Определены наиболее важные, с точки зрения автоматизации процесса, параметры по эффективности и управляемости. Доказано, что наиболее важными с этой точки зрения являются параметры скорости заполнения, наложения давления, вакуумирования и смазки полости формы. Поэтому необходимо провести исследования и согласовать технологические режимы с развитием формирования отливки по времени.

Вторая глава посвящена исследованию и моделированию процессов заполнения и охлаждения во взаимодействии с исполнительным гидроцилиндром.

В главе содержится подробное описание математических моделей процесса заполнения формы, процесса охлаждения отливки и исполнительного гидроцилиндра. Проведен анализ технологического процесса производства заготовок автомобильных колес и поставлены цель и задачи моделирования.

Для моделирования процесса заполнения рассматривается преобразованный в плоский канал сектор отливки, моделировались различные варианты начального перегрева расплава для различных толщин канала с наличием смазки и без нее при турбулентном и ламинарном течениях расплава. Процесс охлаждения отливки рассмотрен с применением метода конечных элементов, расчет проведен для разных начальных температур перегрева расплава и нагрева формы с наличием смазки и без нее. Моделированием исполнительного гидроцилиндра оценены его динамика и возможность заполнения формы за рассчитанное время.

В главе доказано, что для отливок из алюминиевых сплавов, с толщиной стенки от 5 до 10 мм и с длиной пути течения расплава вдоль стенок 100-200 мм с площадью поверхности контакта расплава и формы 25000-40000 мм имеются возможности качественного их изготовления.

В третьей главе рассмотрены пути повышения качества заготовок. Рассмотрено влияние, которое оказывают внешние воздействия на качество отливок. Предложен способ управления работой гидропривода изменением частоты и длительности импульсов управляющего сигнала программно от ЭВМ. Рассчитано время запаздывания командного сигнала и определено быстродействие гидропривода.

Разработана методика проведения экспериментальных исследований. Разработан общий критерий качества для технологического процесса производства заготовок типа автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов литьем с наложением давления.

Создан программно-аппаратный технологический комплекс для управления технологическим оборудованием и исследования технологического процесса производства заготовок автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов литьем с наложением давления.

В комплексе решаются задачи:

• управления технологическим оборудованием;

• сбора, накопления и хранения экспериментальных данных в единой базе данных экспериментов;

• обработки накопленных экспериментальных данных.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса производства заготовок автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов литьем с наложением давления. Исследования проводились натурно на разработанном технологическом комплексе в условиях максимально приближенных к производственным. После подготовки и настройки комплекса на проведение исследований в соответствие с матрицей планирования эксперимента отрабатывались изменения технологических параметров.

Вся полученная информация сохранялась в базу данных об экспериментах, обрабатывалась методами математической статистики и анализировалась. В итоге, после обработки результатов экспериментов, были получены математические модели в виде уравнений регрессии для выбранных в третьей главе показателей качества, их адекватность проверена при помощи F -критерия Фишера. Проведена интерпретация моделей.

В пятой главе даны рекомендации по совершенствованию технологического оборудования и разрабатывается система управления процессом литья с наложением давления. Разработана структурная схема привода с адаптивной системой управления на базе ЭВМ, получены передаточная функция разомкнутой системы и передаточная функция замкнутой системы, охваченной обратной связью по положению, для анализа устойчивости применен алгебраический критерий Рауса-Гурвица. На основе общего критерия качества заготовок разработан вычислительный алгоритм для корректировки параметров технологического процесса.

На базе разработанной автоматизированной системы управления технологическим процессом литья с наложением давления предполагается создание гибкого автоматизированного производства заготовок автомобильных колес, предложены схема управления автоматизированным производством заготовок типа автомобильных колес литьем с наложением давления и схема рабочей группы участка гибкого автоматизированного производства заготовок автомобильных колес. Даны рекомендации по совершенствованию технологической оснастки и оборудования для автоматизированного производства заготовок автомобильных колес.

Результаты предварительных испытаний автоматизированной системы управления технологическим процессом литья с кристаллизацией под давлением оценены на соответствие ГОСТ Р 50511-93 - Колеса из легких сплавов для пневматических шин и ГОСТ 24.104-85 - Автоматизированные системы управления.

Диссертация содержит 201 стр., 87 рис., 19 табл., 8 прил., 122 литературных источника и ссылок.

Результаты исследований использованы для внедрения на ЗАО НПЦ «ИНОР» г. Королев. Разработанные математические модели и результаты экспериментальных исследований также использованы при выполнении НИР на кафедре АТП Владимирского государственного университета. Установленные зависимости и закономерности используются на этапе проектирования технологических комплексов для производства деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов ответственного назначения. Оборудование, алгоритмы и программы используются в учебных курсах «Проектирование систем управления», «Автоматизация производственных процессов», «Автоматизация технологических процессов» при подготовке инженеров по специальности 210200 во Владимирском государственном университете.

В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработаны математические модели процессов заполнения формы и охлаждения отливки во взаимодействии с исполнительным гидроприводом.

2. Разработан общий критерий качества отливок типа автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов изготавливаемых литьем с наложением давления.

3. Разработана методика проведения экспериментальных исследований для процесса изготовления заготовок автомобильных колес литьем с наложением давления.

4. Разработаны исследовательский технологический комплекс, экспериментальная технологическая оснастка и алгоритмы управления процессом, а также соответствующее программное обеспечение.

5. Разработана автоматизированная система управления технологическим процессом литья с наложением давления на базе общего критерия качества отливки.

6. Получены экспериментальные данные, подтверждающие положительное влияние на качество изделий введения в систему управления вычислительного алгоритма корректировки технологических параметров на основе разработанного общего критерия качества и полученных математических моделей в виде регрессионных уравнений.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, д.т.н., профессору Коростелеву В.Ф. и профессорско-преподавательскому составу кафедры АТП Владимирского государственного университета за помощь, оказанную ими при написании данной работы.

5.4. Выводы ф Предложены пути совершенствования технологической оснастки и оборудования, их технологические возможности необходимо привести в соответствие с режимами заполнения формы расплавом и наложения давления на кристаллизующийся металл.

Разработана структурная схема привода с адаптивной системой управления на базе ЭВМ процессом литья с кристаллизацией под высоким давлением, получены передаточная функция разомкнутой системы и передаточная функция замкнутой системы, охваченной обратной связью по ф положению, для анализа устойчивости применен алгебраический критерий

Рауса-Гурвица.

На основе общего критерия качества (5.6) разработан вычислительный алгоритм корректировки технологических параметров системой управления. Разработанный алгоритм позволяет корректировать параметры технологического процесса в реальном масштабе времени на основании вычисления общего критерия качества и интерпретации полученных регрессионных уравнений Разработанный алгоритм может быть расширен, ф адаптирован и применен для коррекции технологических процессов при производстве как заготовок типа автомобильных колес других конструкций и типоразмеров, так и для широкой гаммы изделий производимых по технологии литья с наложением высокого давления.

Предложен вариант создания гибкого автоматизированного производства заготовок на базе АСУ ТП литья с наложением давления в виде схемы управления автоматизированным производством заготовок типа автомобильных колес литьем с кристаллизацией под высоким давлением и схемы рабочей группы участка ГАП заготовок типа автомобильных колес. Организация производства по предложенным схемам позволит обеспечить практически безостановочное гибкое автоматизированное производство периодически модифицируемой продукции высокого качества.

Проведены предварительные испытания АСУ ТП литья с наложением давления, их результаты оценены и проверены на соответствие ГОСТ Р 50511-93 - Колеса из легких сплавов для пневматических шин и ГОСТ 24.104-85 - Автоматизированные системы управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен обзор и анализ научно-технических материалов. Установлено, что освоенный в промышленности процесс производства штампованных дисков из алюминиевых сплавов обеспечивает изготовление высококачественных дисков автомобильных колес, но стоимость их, как и другой высокотехнологичной продукции, недоступна широкому кругу потребителей. Выявлено и показано, что имеется возможность изготовления сравнимых по качеству и приемлемых по стоимости автомобильных дисков из высокопрочных алюминиевых сплавов литьем с наложением давления, как во время заполнения формы, так и в процессе кристаллизации металла. Дано технико-экономическое обоснование производства заготовок автомобильных колес, показано, что создание такого производства требует проведения исследований и разработки системы автоматизированного управления.

2. Моделирование процессов заполнения формы, охлаждения отливки и исполнительного гидроцилиндра показало, что эффективное наложение давления на кристаллизующийся металл возможно только при контроле и регулировании режимных параметров процесса в таких границах, когда на момент окончания заполнения и начало подпрессовки температура расплава в самых крайних точках пути течения остается не ниже температуры ликвидус. Установлено, что продолжительность заполнения формы определяется режимом течения расплава (ламинарным или турбулентным), температурой перегрева расплава, температурой формы и интенсивностью теплообмена между формой и расплавом. Интенсивность отвода теплоты перегрева во время заполнения формы жидким металлом зависит от времени заполнения и площади поверхности контакта расплава с формой, а также от термосопротивления наносимой краски. Изменением гидродинамических режимов течения и снижением интенсивности отвода теплоты от расплава, от которых зависит время заполнения, обеспечить наложение давления до начала кристаллизации отливки представляется возможным. Причем, при величине перегрева расплава 140°К и более, ламинарном течении и слое графитовой о смазки от 0,1 мм гидропривод с рабочей площадью поршня не более 0,02 м и расходом масла в рабочую полость от 40 л/мин имеет возможность отработать необходимые режимы заполнения.

3. Разработана методика проведения исследований и отработки алгоритмов и управляющих программ для технологических комплексов литья с наложением давления, принципиальное отличие которой состоит в программировании и компьютерной реализации таких процедур как сбор, обработка информации о параметрах технологии, принятие решений, осуществление управляющих воздействий на рабочие органы технологического комплекса; разработанная методика позволяет генерировать новые знания о закономерностях сложных явлений и процессов при наложении давления на жидкий и кристаллизующийся металл.

4. Проведены экспериментальные исследования процессов заполнения формы и охлаждения отливки во взаимодействии с исполнительным гидроприводом, в результате разработаны математические модели процесса при изготовлении заготовок типа автомобильных колес, математические модели представлены в виде регрессионных уравнений для выбранных показателей качества шероховатости поверхности, лекальных дефектов, пористости и предела прочности при растяжении.

5. Разработаны и предлагаются шкала желательности и общий критерий качества технологического процесса изготовления заготовок автомобильных колес из высокопрочных алюминиевых сплавов литьем с наложением давления, они позволяют проводить количественную оценку эффективности управления процессом по устойчивости, стабильности и надежности.

6. Разработана автоматизированная система управления технологическим процессом производства заготовок автомобильных колес литьем с наложением давления отличающаяся тем, что в ее основу положен алгоритм корректировки параметров технологического процесса, разработанный на базе вычисления общего критерия качества, с последовательной коррекцией параметров исходя из проведенной интерпретации полученных регрессионных уравнений.

7. По результатам выполненных испытаний можно дать следующую характеристику разработанной автоматизированной системы управления: система управления в необходимых объемах в автоматическом режиме выполняет сбор, обработку и анализ информации о состоянии объекта управления, осуществляет выработку управляющих воздействий, передачу управляющих воздействий на исполнение, реализацию и контроль выполнения управляющих воздействий, а также обмен информацией с взаимосвязанными системами; система управления вырабатывает и реализует рациональные управляющие воздействия на ТОУ в реальном масштабе времени протекания технологического процесса, основываясь на вычислении общего критерия качества и последовательную корректировку параметров процесса исходя из проведенной интерпретации регрессионных уравнений; за счет контроля и стабилизации технологического процесса автоматизированная система управления процессом литья с наложением давления обеспечивает приемлемую производительность и требуемое качество изделий.

8. Разработанная система управления технологическим процессом литья с наложением давления может быть рекомендована для использования в составе гибкого автоматизированного производства заготовок типа автомобильных колес автомобильных колес литьем с наложением давления. Приведены рекомендации по совершенствованию технологической оснастки и оборудования и предлагаются схема управления гибким автоматизированным производством и схема автоматизации производственного участка ГАП отливок сложной конфигурации из высокопрочных алюминиевых сплавов.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ММ - математическая модель 273К - температура по Кельвину ПК - персональный компьютер ЭВМ - электронно-вычислительная машина ЧПУ - числовое программное управление АЦП - аналогово-цифровое преобразование ЦАП - цифро-аналоговое преобразование УСО - устройство связи с объектом

ДИП - дифференциальный индуктивный преобразователь ЛПД - литье под давлением

ЛНД - литье под низким давлением из алюминиевых литейных сплавов ЛКД - литье с кристаллизацией под давлением ШС - штамповка из стали

ША - штамповка из высокопрочных алюминиевых сплавов

ИМ - импульсная модуляция

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

ЧИМ - частотно-импульсная модуляция

КЭ - конечный элемент

МКЭ - метод конечных элементов

ТП - технологический параметр

ПТП - переменный технологический параметр

ПКО - показатель качества отливки

ПФЭ - полно-факторный эксперимент

ДФЭ - дробно-факторный эксперимент

ТОУ - технический объект управления

ТЗ - техническое задание

АСУ ТП - автоматизированная система управления

АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим процессом

ГАП - гибкое автоматизированное производство

1. Автоматизация литейных процессов: Сб. науч. трудов - Киев: Наукова думка, 1979 г.-224.

2. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы. Справ, пособие./ под. ред. Б.Д. Кошарского. Л. Машиностроение. 1989. 479с.

3. Агрегатные комплексы технических средств АСУ ТП: Справочник/под. ред. Н.А. Боборыкина. Л. Машиностроение, 1983. 287с.

4. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М., 1969.

5. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М: Наука. 1976.

6. Алюминиевые сплавы в автомобильной промышленности // Литейное производство. 1999. № 6. С. 35-38.

7. Алюминий. Свойства и физическое металловедение: Справочник / Под ред. Ж. Е. Хэтча. Пер. с англ. Под ред. Акад. И.Н. Фридляндера. М.: Металлургия, 1989. 422 с.

8. Андреев А.А. Автоматические показывающие и самопишущие и регулирующие приборы. Л. Машиностроение., 1991. 287с.

9. Анисович Г. А., Никитин В.Г., Клековкин А .Я. Гидроудар в литейной форме как фактора нарушения направленности затвердевания отливки. // Литейное производство №10, 1984.

10. Бажин И.И., Ю.Г. Беренгард и др. Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода. М.: Машиностроение, 1988

11. Батышев А.И. Кристаллизация металлов и сплавов под давлением. М.: Металлургия. - 1990. - 144с.

12. Батышев А.И. Формирование отливок под воздействием давления, вибрации, ультразвука и электромагнитных сил. М.:Машиностроение, 1977, с.33

13. Баум Б.А. Металлические жидкости. М.: Наука, 120с. с ил.

14. Белов В.М. Литье под давлением сплавов с высокой температурой плавления // Литейное производство, 1983. №2. С. 12-13

15. Белов В.М. Литье черных металлов под давлением за рубежом // Литейное производство. 1978. № 1.С. 44-46.

16. Белов В.М. Освоение технологии литья под давлением стали // Литейное производство. 1978. № 4. С. 28-30.

17. Белопухов А.К. Технологические режимы литья под давлением. 2-ое переработанное и доп. М.: Машиностроение, 1985. 272 е.: ил.

18. Белопухов А.К. Технологические режимы литья под давлением. 2-ое переработанное и доп. М.: Машиностроение, 1985. 272 е.: ил.

19. Вайнгард У. Введение в физику кристаллизации металлов. Пер. с англ. М. Мир, 1979 г. 160с.

20. Вакуумирование алюминиевых сплавов. Альтман М.Б., Глотов Е.Б., Засыпкин В.А., Макаров Г.С., М.: Металлургия, 1987 г., 240с., ил.

21. Вакуумная металлургия, Пер. с англ. Соболевского А.Л., Качанова Е.В., М.: Металлургия, 1973, 189с.

22. Вакуумное литье. Сборник статей под общ. Редакцией Тимофеева Н.А. М.: Машиностроение. 1982. 256 с.

23. Варич Н.И., Белоусов Н.Н. Влияние давления при кристаллизации на изменения субмикроструктуры в сплавах АЛ2 и АЛ8 // Кристаллизация металлов. М.: Издательство АН СССР, 1960. С. 298.

24. Вейник А.И. Термодинамика литейной формы. М.: Машиностроение, 1968.-332 с.

25. ВИЛС НН, г. Нижний Новгород (15 Августа 2003). Технологии изготовления колесных дисков WWW document. URL http://www.wheels.nn.ru/remdisk.htm

26. Винокуров В.К. Стриженков М.И. Бубнов Б.П. Методика определения заполняемости металлических форм // Металлургия, 1986, № 20

27. Галдин Н.М. Литниковые системы для отливок из легких сплавов. М.: Машиностроение, 1983 г., 195 е., ил.

28. Гиршович Н.Г., Нахендзи Ю.А. Формирование качества стальных отливок ч.1. Процессы заполнения кокилей. М. НТО Машпром, 1962. 128с.

29. Гитгард Д.А. Автоматизация плавильных электропечей с применением микроЭВМ. М. Энергоатомиздат, 1984 г. 236с.

30. Глинков Г.М., Климовицкий М.Д., Теоретические основы автоматического управления металлургическими процессами. М.: Металлургия, 1985. 304с.

31. Головин С .Я. Особые виды литья. М.-Л., Машгиз, 1959. 462 с.

32. Головченко В.П., Рабийчук Л.К., Шпитко В.К., Борисов Г.П. Литье под давлением с гравитационной заливкой. Ж. Литейное производство. 1987, №3. с. 31-32.

33. Горюнов И.И. Пресс-формы для литья под давлением: Справочное пособие. Л.: Машиностроение, 1973.-256с.

34. ГОСНИИСИ (25 Августа 2003) Средства и системы компьютерной автоматизации WWW document. URL http://www.asutp.ru/?p=6010&rub=A

35. ГОСТ 24.104-85 Автоматизированные системы управления

36. ГОСТ 24026-80 « Исследовательские испытания. Планирование эксперимента. Термины и определения. М.,1980.

37. ГОСТ 34.603-92 Виды испытаний автоматизированных систем

38. ГОСТ Р 50511-93 (ИСО 3006-76, ИСО 3894-77, ИСО 7144-81). Колеса из легких сплавов для пневматических шин. М: ГОССТАНДАРТ РОССИИ

39. Добаткин А.В. Алюминиевые сплавы. Плавка и литье алюминиевых сплавов, М.: Металлургия, 1970, 416 с. с ил.

40. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. СПб.: Питер, 2002

41. Ефимов В.А., Анисович Г.А., Бабич В.Н. и др. Специальные способы литья. М.: Машиностроение, 1991, 436 с.

42. Жаров Н.Т. Автоматизация некоторых литейных процессов. М.: Машиностроение. 1983. 316с.

43. Зеленое В.Н. Влияние смазок на газовый режим формы при литье под давлением. Литейное производство. 1980 г., №4. с.20.

44. Зеленов В.Н. Влияние смазок на газовый режим формы при литье под давлением. Литейное производство. 1980 г., №4. с.20.

45. Зеленов В.Н., Падерин В.Н., Степанов Ю.А. Вакуумирование литейных форм в цикле прессования // Литейное производство №11, 1984.

46. Измерение в промышленности: Справочник/ Под. ред. П. Профоса: пер. с нем. М.: Металлургия, 1980. 648с.51. "Ицхоки Я. С., Импульсные устройства, М., 1959; Меерович Л. А., Зеличенко Л. Г., Импульсная техника, М., 1953"

47. Калачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. 3-е изд. - М.: .МИСИС. 1993. -416с.

48. Кент Рейсдорф. Borland С++ Builder 3. Освой самостоятельно: Пер. с англ. М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 1999. - 736 е.: ил.

49. Килин В.М., Коростелев В.Ф. Снижение ликвации в отливках из деформируемых алюминиевых сплавов // Передовой опыт, 1989, №9. С. 21-26.

50. Килин В.М., Маслов Н.Г., Марков В.В., Гейко И.В. Жидкая штамповка деталей из деформируемых сплавов // Литейное производство. 1988. №3. С.21-22.

51. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шедулин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1983 - 416с.

52. Клименко М.Е. Повышение качества отливок газотехнического назначения путем автоматизированного управления параметрами технологии. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Владимир. ВлГУ. 2002. 185 с.

53. Климовицкий М.Д., Копелович А.П. Автоматический контроль и регулирование в металлургии: Справочник. М.: Металлургия, 1967. 787с.

54. Компания АГАВА (15 Августа 2003). Технология изготовления автомобильных дисков WWW document. URLhttp ://www. di ski. agava.ru/litkov.htm

55. Компания ПРОТАКС (15 Августа 2003). Кованые диски, технология производства WWW document. URL http://www.protax.ru/texnologkv.php

56. Комплекс общеотраслевых руководящих методических материалов по созданию АСУ и САПР. М.: Статистика, 1980. 119с.

57. Копелевич А.П. Автоматическое регулирование в черной металлургии: Краткий справочник. М. :Металлургиздат, 1963. 408с.

58. Коростелев В.Ф. Производство точных литых деталей и изделий из алюминиевых деформируемых сплавов // Вестник машиностроения, 1994 №3. С. 37-40.

59. Коростелев В.Ф. Производство точных литых деталей и изделий из алюминиевых деформируемых сплавов // Вестник машиностроения. 1994. №4. С. 37-40.

60. Коростелев В.Ф. Технология литья с программным наложением давления. М.: Машиностроение. 2000. 204 е.: ил.

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

62. Коростелев В.Ф., Клименко М.Е., Щелоков М.Е. Мехатронная система управления процессом кристаллизации металла. Мехатроника, автоматизация, управление. 2003. №4.С. 14-22.

63. Коростелев В.Ф., Щелоков М.Е., Игошин А.В., Гришин Н.Н. Программно-корректируемое управление наложением давления при литье автомобильных дисков. Мехатроника, автоматизация, управление.2003. №10.С. 8-14.

64. Коростелев В.Ф., Щелоков М.Е., Кулинич А.А. Трехмерная твердотельная модель пресса для литья под давлением ПЛД-300. Информационные технологии в науке, проектировании и производстве.

65. Материалы девятой заочной Всероссийской научно-технической конференции. Н.Новгород: Межрегиональное Верхне-Волжское отделение Академии технологических наук Российской Федерации (МВВО АТН РФ), 2003 г., стр.60

66. Красота- это . страшная сила! Ж. За рулем. 1997, № 6. С. 148 150.

67. Круг Г.К. Учебное пособие по курсу статистические методы в инженерных исследованиях. Москва. МЭИ. 1977

68. Кудрин В.А., Любимова Г.А. Теория сталеплавильных процессов. В кн.: Теория металлургических процессов. Изд. ВИНИТИ, 1973, т. 3

69. Кузнецов М.М. и др. Проектирование автоматизировнного производственного оборудования. М.: Машиностроение, 1987, 288 с.

70. Кунцевич В. М., Чеховой Ю.Н. Нелинейные системы управления с частотно- и широтно-импульсной модуляцией. «Техника», 1970, 340 с.

71. Липчин Т.Н., Томсинская М.А. Диаграммы состояния цветных сплавов при кристаллизации в неравновесных условиях // Металловедение и термическая обработка металлов. 1980. №10. С. 37.

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

73. Ляпин А.Г., Бражкин В.В., Громницкая Е.А. и др. Превращения в аморфных твердых телах при высоких давлениях. УФН. Т.169, №10. С. 1157-1160.

74. Мандрик А.А. Влияние стабильности технологических параметров литья под давлением на качество отливок компрессора. Литейное производство, 1980, №4, с.22-24.

75. Машины для литья под давлением под ред. Розенберга Б.Е. М., Машиностроение, 1973, 288с. с ил.

76. Методика определения экономической эффективности автоматизированных систем управления предприятиями и производственными объединениями. М.: Статистика, 1979. 62с.

77. ООО "Компания "Автэра" (15 Августа 2003). Информационный раздел WWW document. URL http://www.autodisk.ru/autodisk.html

78. Пазухин В.А. Фишер А .Я. Разделение и рафинирование металлов в вакууме, М.: Металлургия, 1969, 204 с. с ил.

79. Панов В.М. Автоматизированное проектирование гидро- и пневмоприводов. М.: Машиностроение, 1989

80. Петриченко A.M., Мирошниченко А.Г., Закрочимский В.Р., Мирошниченко В.Н. Производство точнолитых заготовок в комбинированно-вакуумных формах. // Литейное производство №10, 1984.

81. Положительное решение на заявку № 2002121202/02. Заявители Коростелев В.Ф., Сергеев А.В., Щелоков М.Е., Хромова Л.П., Хромов А.В.

82. Получение отливок в вакууме Урам С.З. М.: Металлургия, 1979, 287 с.

83. Приборы и средства автоматизации для металлургии / Каталог-справочник, М.: Металлургия, 1980, 87с.

84. Проектирование систем автоматизации в металлургии: Справочник/ В.Р. Ксендзовский, В.Ф Лебедкин, Б.М. Миров и др. М.: Металлургия. 1992. 321 с.

85. Руденко А.В. Серебров B.C. Литье в облицованный кокиль. Машиностроение, 1987, с. 184.

86. Сафронов В.Я. Справочник по литейному оборудованию. М., Машиностроение, 1985, 320с. с ил.

87. Сибирские колеса. Ж. За рулем. 1995, №6. С. 34-35.

88. Слепов Н.Н., Дроздов Б.В. Широтно-импульсная модуляция. М.:1. Энергия», 1978

89. Смирнов В.А. Современные методы анализа и контроля продуктов производства. М.: Металлургия, 1984. 253с.

90. Смирнов Н.А. Современные методы анализа и контроля продуктов производства М.: Металлургия, 1980, 253с.

91. Соловьев В.А. Бочарова И.Е. Некоторые вопросы кристаллизации ^ металлов. М.: Наука 1973, 302с. с ил.

92. Спасская М.М., Гузнов Г.П., Кузнецов К.Н. Использование вибрации высококремнистого алюминиевого сплава при литье под давлением// Литейное производство №10, 1984.

93. Справочник проектировщика автоматизированных систем управления технологическими процессами/ Под. ред. Г.Л. Смилянского. М.: Машиностроение. 1983. 527с.

94. Средства и системы автоматизации литейного производства / Богдан ф К.С., Горбенко В.М., Денисенко В.М. и др. М.: Машиностроение, 1981,272с.

95. Средства и системы автоматизации литейного производства// К.С. Богдан, В.Н. Горбенко, М.: Машиностроение, 1981. 272с.

96. Федорец В.А. Расчет гидравлических и пневматических приводов гибких производственных систем. М.: Машиностроение, 1988

97. Хартман К., Лецкий Э., Шефер В. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М., 1977.

98. Цыпкин Я. 3., Теория линейных импульсных систем, М., 1963.

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

100. Чистяков В.В., Курочкина Г.Н., Мокеева Л.В. Расчет коэффициента теплоотдачи при турбулентном движении расплава.// Сб. науч. трудов «Прогрессивные технологические процессы и высококачественные сплавы в литейном производстве». Рыбинск. 1995. С. 28-29.

101. Штамповка жидкого металла (литье с кристаллизацией под давлением) / Под ред. А.И.Батышева. М.: Машиностроение. 1980. 199 е.: ил.

102. Штамповка жидкого металла (литье с кристаллизацией под давлением)/ Под ред. А.И.Батышева. М.: Машиностроение, 1980. 199 с.

103. Штамповка жидкого металла (литье с кристаллизацией под давлением)/ Под ред. А.И.Батышева. М.: Машиностроение, 1980. 199с.

104. Явойский В.И. Теория процессов производства стали, 2-е изд. М.: Металлургия, 1967, 792с. с ил.

105. ANSYS Theory Reference Release 5.6. 001242. Eleventh Edition. SAS IP, Inc.

106. Borland С++ Builder 5 HELP-file.

107. S Janik. The Choice of technology for ecology criteria. Technologia'99.6th International conference. 6 9.9. 1999. Bratislava. S. 680-684.