автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии свободной высадки на непрерывновысадочной машине с применением микропроцессорной системы управления

МОСКОВСКИ! ИНСТИТЗТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

4

/

На оравах рдкописи

Романцог Игорь Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СВОБОДНОЙ ВНСЙДКИ Hfl НЕПРЕРЫВНО-ВЫСАДОЧНОЙ ШИНЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СНСТЕКН УПРАВЛЕНИЯ

Специальность^.03.05. - Процесса я иатанв обработки давлением

АВТОР Е.1 Е Р Й Т * диссертации на соискание ученой степени кандидата технических надв

Москва 1932

Работа выполнена на кафедре комплексной механизация к автоматизации процессов обработки металлов к пластмасс давлением Московского института приборостроения.

Научный руководитель - доктор технических надк, профессор, лауреат Государственной премии СССР ОМДЧЮ В.Я.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР РОТИКОВ А.М.

кандидат технических наук.доцент 1НХИЛИН В.К.

Ведущее предприятие - Первоуральский. новотрубный завод.

0

Защита диссертации состоится 15 декабря 1392 г. на заседании специализированного совета К 563.93.01 Московского института приборостроения по адресу: 107076. Уосква. ул. Стромынка. дом 20. -

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КИП.

автореферат разослан 12 ноября 1932 г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н.. доцент

ДйЛЬСШ fi.II.

ОБШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В условиях дефицита ресурсов вопроса металлоемкости изделии, экономии энергоносителей и улучшение качественных показателей продукции приобретают особое значение.

Требования* наименьяей металлоемкости лучаим образом отвеча- " вт изделия с переменным, рационально распределенный вдоль оси сечением. Пример таких изделий - трубы с местными, локальными утол-дениями, которые используется в разных отраслях, например, авто-и авиастроении, в нефтяной и газовой промниленности.

Один из способов получения утолщений на трубах - свободная непрерывно-последовательная высадке, по целому ряду показателей -экономичности, возмоаности получения утолвений неограниченной длины, диапазону сортамента - находится вне конкуренции по сравнении с другими способами, однако основной проблемой свободной высадки является недостаточная пластическая устойчивость металла в зоне деформации, что приводит к искавенив формы утолдений - гофрообра-зованиа и особенно проявляется при больиом коэффициенте высадки (относительном приращении сечения трубы) -

Современное развитие технологий, переход их на качественно новый уровень немыслима без применения мощных инструментов научной абстракции - математических моделей и исследования на- них с цельи оптимизации технологических процессов, выявления способов рационального управления ими.

Вместе с тем, особенности свободной высадки до настояцего времен® остаатся недостаточно изученными, проведенные исследования носили бользей частьв эмпирический характер, отсутствует строгое и в. достаточной мере обоснованное физико-математическое описание процесса. Поэтому исследование и дальнейпее совервен-ствование технологии свободной высадки является актуальными.

Цель работы. Исследование, определение и реализация технологических параметров высадки, позволявших повысить производительность и улучяить геометрии утолцений за счет увеличения пластической устойчивости металла в зоне деформации, в том числе при производстве лонжеронов лопастей вертолетов.

Для достижения указанной цели сформулирован^ следуйте задачи исследований:

- разработать принципы построения динамической модели на основе анализа реально происходячих физических явлений и дать ее аатематическое описание;

- провести математическое моделирование на ЭВМ;

- выполнить сравнение экспериментальных данных с результатам работн кодели;

- исследовать особенности технологии на модели и определить параметры высадки, которые позволят интенсифицировать ее и улучшить геометрии уто/щений;

- определить требования к оборудовании АСУ ТП и к структуре и функция» управлявших программ;

- экспериментально доказать эффективность разработанных способов высадки на модернизированной непрерывно-высадочной машине

с АСУ ТП, созданной на основе сформированных требований к ней и ее структуре.

Кетоды иссле; .звания. В работе использовано моделирование на ЭВМ (применялась ПЗВК типа IBM РС/АТ-286/28?), которое предоставило возможность применения методов математического анализа при исследовании процесса на модели, Проверка результатов теоретических исследсванй и способов оптимизации высадки проведена на действугцек технологическом агрегате Челябинского трубопрокатного завода. Результаты исследований представлены в виде таблиц, графиков, фотографий, структурных схем, формул:

Нацчноз новизна работы заключена:

- в разработке принципов построения динамической модели непрерывной высадки и в создании алгоритмов программной математической модели процесса;

- в разработке методики расчета технологических параметров, обеспечивавцкх пластическув устойчивость зоны деформации, темпера тарного по.пя и характера распределения мопности индукционного наг рева по длине очага деформации;

- в определении зависимости изменения коэффициента высадки в начале процесса для стабккизации его начальной стааки;

- в разработанных принципах построения АСУ ТП, ее структуре и функциях ее управляющих программ;

Практическая ценность работы заклвчается в разработанном спо сабе повыаения пластической устойчивости металла в зоне деформации путем ограничения ускорений осадки воздействием на усилие осаЕивающего механизма, в улучшении геометрии утолщений и экономи металла, в повызении производительности технологического агрегата за счет появления возможности увеличения коэффициента высадки и исключения проиевуточных операций по нтолценив стенки и в зкономи

\

-з -

(лектроэнергии.

Создана такяэ основа для дальнейших теоретических (модель) I зксперицентальных (АСУ ТП с ее уге реализованными и иогцциии |ыть иноорьац.'шнныни возможностями) исследований процесса.

Реализация в промышленности. Для реализации найденных рвений, которые были предварительно опробована и оптимизированы на одели, бала спроектирована, изготовлена и отлазена АСУ ТП, струк-ура, принципа действия и алгоритмы которой были разработаны в на-тоаией работе. Система управления установлена на кодеркиэирозан-ой непрерывно-высадочной машине НИИПТИАЗ-ЗОО, находящейся в цехе 5 ЧТПЗ.

Озидаений годовой экономический эффект от внедрения резуль-атов'работы состазляет 2632680 руб.

Апробация работы. Основные полоненил диссертационной работы окладызались и обсувдались на заседаниях кафедры "Комплексная еханизация и автоматизация процессов обработки неталлов и пласт-эсс давлением" НИИ, расширенном техническом совете ЧТПЗ -

Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 работ, •тон числе два патента на изобретение.

Объен работы. Диссертация содерзит 129 страниц мазинописного гкста и состоит из введения, четырех разделов, выводов по работе трех приложений с 63 рисунками, 11 таблицами н списка использо-¡нной литературы из 83 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность теки, сформулированы цель задачи исследования. Указаны научная новизна, практическая цен-1Сть полученных результатов и основные положения, которые внно-:тся на защиту.

В первом разделе из анализа литературы следует, что исследо-ния процесса до сих пор были посвячены, в основном, методике по-ановки эксперимента, обработке и анализу эмпирических данных, работке на основе этого анализа практических рекомендаций по верненствовании технологии.

■ Больное внимание было уделено следупзеыу: - нахождений по гео-трическим размерам заготовки и комля критерия устойчивости трубы образованию продольной волны изгиба стенки: - определении влия-ч изгиба утолщаемой стенки на механические свойства металла ком; - нахозденив эмпирических зависимостей взаимного влияния энер--силовых, скоростных и геометрических параметров высадки; - рас-

чету статического теплового поля по желаемой геометрии зоны деформации; - определенно удельных усилий и деформаций в статическом режиме.

Сделан анализ выявлению направлений совервенствования технологии, которые можно свести к следующим: - совмещение непрерывно-последовательной высадки с формообразующими элементами,-например, обкатывавшими последефориационнцв зону роликами: - дифференцированный нагрев зоны деформации, способствующий образовании желаемой геометрии этой зоны; -выбор оптимальных для обеспечения необходимой пластической устойчивости энерго-силовых параметров процесса; - теплоизоляция зоны деформации, призванная стабилизировать ее температуру; - разработка способов управления параметрами процесса.

Последнее направление наиболее перспективно, но его развитйп мекает недостаточная изученность свободной высадки.

Второй раздел посвяцен. разработке математической модели процесса и доказательству ее адекватности действительности.

Программные модели очень удобны для исследований, во, в отличие от физических, они требуют четко формализованных, описанных математически реальных физических закономерностей и процессов, происходящих в объекте.

При создании модели приняты следующие принципы ее построения и работы:

- процесс идет дискретно во времени с интереалом, задаваемым в начале работы, масвтаб времени - физический;

- вычисление параметров происходит последовательно.по-замкнутому циклу и какдый цикл начинается с приращения времени на величину упомянутого интервала:

- зоны нагрева и охлаждения разбиваются на определенное .количество участков, геометрия которых .представляется идеализированной - в виде кольца с постоянный внутренним (высадка происходит на оправке) и меняющийся вневнии радиусоа;

- программа прослекивает кагдый участок от ыоыента вхоидения его в контролируемуи зону до выхода из нее и определяет значения всех его параметров;

- поскольку положение индукционного нагревателя с его заданным распределением магнитного потока определяет интенсивность нагрева кандого из участков, а это положение в ходе процесса постоянно меняется, расчет всех парметров происходит в двияу$ейся координатной сетке индуктора с двигуциыися относительно нее грани-

1МИ участков, количество которых тояе меняется;

- дифференциальна и интегральные уравкзния решится числении методами.

Структурная схема программной модели приведена на рис. 1. е параметры каждого участка рассчитываются отдельно.

Замкнутый цикл программы начинается с вычисления темпера-

ры:

V/ •'<!•/> ' (1,

е и У/ - мощность' нагрева, приходящаяся на участок / . объем этого участка: - температура участка в конце предыду-го интервала времени; с и /> - теплоемкость и плотность ме-дла заготовки; л?г - интервал времени.

Потери на излучение учитывается в соответствии с законом гфана-Больцнаиа - • 4

¿/ = /юо\ . (2)

; с-а, Се, 3/ - коэффициент излучения абсолэтно черного тела, •егральназ степень черноты и плоцадь поверхности участка / . Для рассматриваемого процесса принята схема открытая лрозиз-тогда напряжение текучести получается равным:

= р/[ {цое-еп. (¿/а)] • , СЗ)

!, для"конкретного случая -

=я/б3[!*/.ое-еп.сЙ/ /л_о] . < 4 >

Р, й}-, йа - усилие осадки, площадь сечения заготовки, нуся участка / и внеиний 'заготовки.

3 работах Соколова Л.Д., Полухяна П.Я.. Галкина А.М., а Г.Я. приведены экспериментальные зависимости скорости дефор-ии от напряжения текучести и температуры для разных металлов и азов. По этим кривым выведена формула-, справедливая для рас-гриваеыого диапазона температурно-скоростных условий деформации гсь она записана применительно к конкретному участку):

ф =ехрю\к<[ /-£. /а,] Г Сэ^ ' <а (¿//"-¿Щ (5)

«ч - постоянные для выбранного материала заготовки )Фициента.

Для вычисления величины деформации используется преобразо-¡ея общеизвестная формула = /- е.хр с (-ф-лгг) (М

п.

да 0-22 (Су. - и I . (7) к (6)

Рис.1. Структурная схема програкиы ыодели свободной высадки.

где О, / - длина участка / . об^ая осадка и перенесение индуктора за время д-г .

Новое значение длины участка после его осадки находится как разность меяду ее прежним значением и величиной этой осадки -

# - е/ц-е-^у , (9)

а радиус - из условия постоянства объема:

где я, - внутренний радиус заготовки.

Допустимое время цикла рассчитывается из условия устойчивости цравнения теплопроводности

. . <11)

где ¿мл., А. - наименьшая из длин участков и теплопроводность металла заготовки.

При расчете теплопередачи в оправку используется метод подобия, позволяющий оперировать с безразмерными показателями времени.

Теплопередача вдоль трубы и оправки определяется с'поаочъа основного уравнения теплопроводности: дй _ X , 3х*

дг с-р Зхг • (12)

Для рассматриваемого случая при реоении уравнения (12) численный методом:

?!о при зтоа учитывается, что участки по определенна ниезт неодинаковые геометрические раэаеры, поэтому в (13) вносятся изменения. Зля тепловая потоков вдоль трубы -

V / /'

¡доль оправки -

¿эю/п '¿сор; tcnp< '¿оу>./I + /

, _ ¿X -лХс

с После прохождения кагдого цикла программы происходят осадка рубь и встречное двиаение индуктора, программа следит за этими еремевениями, переименовывает участки и пересчитывает их параметры в соответствии с новым взаимным располохением трубы, опра&-

ки и индуктора.

При выполнении программы на экране монитора (рис. 2) появля-

Рис. 2. Кздель свободной высадки (регуляторы выключены)

ется изображение Бисакивавцегося коаля, Фиксируется текуцие значения времени от начала процесса, скорости осадки", температуры на лабом из участков, усилия осадки. Выводятся графики изменения последних трех пгракетров в Функции пути, пройденного индуктором, пояснение которого тоге отражается. Кроме того, изображается'текущие диаграикы скорости деформации, температуры труби, температуры оправки. напряжения текучести вдоль зон нагрева и охлаждения, максимальные и минимальные значения величин на этих диаграммах.

По окончании работы модели (по достижении комлей заданной длины; предусмотрена возможность записи в долговреиеннув память ЭВМ всей видимой на экране информации, которая затем могет быть воспроизведена.

В работах Осадчего Б.9. и Светкина В.В. приведены эмпирические формулы для расчета средних значений температурных и скоростных параметров высадки от уровня энерго-силовкх и дефоркэционных режимов, полученные методон иатеиатического планирования. Зкспе-

70.07. 178.7_____.200.0

- э -

рименты проводились на трубах 180x37, изготоБлгн.чих из стали 20ХМ. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показывает пичти полное их совпадение, имевшиеся отличия легко объяснявтся при рассмотрении физики процесса.

В третьем раздело проведены исследования процесса на ыодели и оценено влияние параметров высадки на геометрия комля и тенпера-турно-скоростнце рекимц; Исследования проводились на трубах размером 273x24, изготовленных из стали 40ХНИЙЗ.

По результатам исследований установлено, что при 1,2 показатели геонетрии начинают быстро ухудпаться и при j*- = 2 доходят до непрневлемпх величии - более 50% висаненного металла идет в гофр,-

Как и следовало оеидэть, температура зоны деформации с ростом усилия осадки Р заметно сниаается, среднсз значение скорости осадки увеличивается, геометрия конЛя улучшается, хотя и незначительно. Главное преимуцество ведения высадки при больвих усилиях состоит в снизений температуры гоны деформации, что благоприятно сказывается на механических свойствах металла и позволяет избегать его пепегрева во внешних слоях комля.

При увеличении мощности индукционного нагрева W почти пропорционально увеличивается скорость осадки и возрастает температура зона нйгрева. Значительно улучаается и качество высадки. Наблюдается существенное демпфирование колебаний скорости осадки и радиуса комля.

Уменьшение Ш1рШШ ИНДУКТОрд Синд. (длины активной зона нагрева) улучшает геометрии комля, при этом существенно возрастает скорость осадги и очень незначительно повивается температура. Однако, ограничение зоны активного нагрева очень трудно реализовать технически, особенно при больпом коэффициенте высадки.

Из анализа зависимости показателей геонетрии от Сохя. (расстояния от индуктора до спрейера) следует, что качество высадки в значительной степени зависит от теплового сстояиия зоны, следующей за зоной деформации. Для обеспечения теплового баланса последней требуется равенство производных температура по осевой ординате в окрестностях зонн деформации:

1 ( dt \ - -Л ( ctt )

При рассмотрении влияния диаграммы магнитного потока индуктора закономерностей не визвлгно, поэтому разработан метод ее рас-