CC BY
36
4. ФОРУМ ПРОЕКТОВ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ И ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ В ОБЛАСТИ IT-ТЕХНОЛОГИЙ
«ТЕРРИТОРИЯ СМЫСЛОВ НА КЛЯЗЬМЕ»,
27 ИЮНЯ - 28 АВГУСТА 2016
Всероссийский молодежный образовательный форум «Территория смыслов на Клязьме», 27 июня - 28 августа 2016г. Организаторами Форума являются: Федеральное агентство по делам молодежи; Общественная палата Российской Федерации; Федеральное государственное бюджетное учреждение «Российский центр гражданского и патриотического воспитания детей и молодежи».
Цели и задачи Форума:
- Форум является автономным полевым лагерем с инновационной инфраструктурой, который формирует сообщество талантливых молодых людей из всех субъектов Российской Федерации и иностранных государств.
- Цель Форума - создание условий для самореализации молодых людей и формирование молодежных профессиональных сообществ.
4.1. РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЛИТЬЯ С КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Денисов Максим Сергеевич, аспирант, заведующий лабораториями кафедры АТП, Владимирский государственный университет, ИМиАТ, г. Владимир, Россия. E-mail: [email protected]
Аннотация: Работа представляет собой проектирование, разработку и внедрение компьютерной системы управления для процесса опрессовки кристаллизующегося металла под давлением. Систему управления планируется реализовать на горизонтальном гидравлическом прессе. Усилие запирания в цилиндре пресса составляет 300 тонн, давление, при котором осуществляется опрессовка металла, составляет 500 МПа. Весь процесс, начиная от заливки металла до его опрессовки, контролируется необходимым количеством контрольно-измерительных приборов. Система управления получает информацию с датчиков, сравнивает ее с Техническим заданием на опрессовку и вносит необходимые коррективы на исполнительные механизмы -прессующие плунжеры. Таким образом, обеспечивается наложение давления на жидкий металл по заданной программе, с возможностью прогнозирования свойств готового изделия.
Ключевые слова: кристаллизация, опрессовка, давление, расплав, компьютерная система управления.
4.1. DEVELOPMENT OF THE COMPUTER CONTROL SYSTEM OF CASTING WITH CRYSTALLIZATION UNDER PRESSURE
Denisov Maxim Sergeevich, Postgraduate student, head of the laboratories of the Department of ATP, Vladimir state University, Institute of engineering and automobile transport, Vladimir, Russia. E-mail: [email protected]
Abstract: The work is a design, development and implementation of computer control systems for crimping process of crystallizing the metal under pressure. The control system will be implemented on a horizontal hydraulic press. The locking force within the cylinder press is 300 tons, the pressure at which the crimping of the metal is 500 MPa. The whole process starting from pouring of the metal prior to its crimping, is controlled by the necessary amount of instrumentation. The control system receives information from sensors, compares it with the Technical specifications for the pressure testing and making the necessary adjustments to the actuators - the pressing plungers. Thus imposing, pressure on the liquid metal for a given program, with the ability to predict properties of the finished product. Index terms: crystallization, crimping, pressure, molten, computer control system.
ВВЕДЕНИЕ
Автоматические и автоматизированные системы управления технологическими процес-
сами развиваются в различных направлениях. Значительный научный и практический интерес представляют системы управления объек-
тами, свойства которых неизвестны, это объекты, состояние и поведение которых предсказать, предугадать не представляется возможным. Так, при производстве металлопродукции сталкиваются с проблемой управления формированием структуры и связанных с ней свойств конечной продукции. Трудности, с которыми сталкивается промышленность, связанны с тем, что в процессе плавки, термовременной и механо-временной обработки в жидком состоянии и в процессе кристаллизации компоненты сплава входят в сложные взаимодействия, на атомно-электронном уровне, поэтому возникает необходимость разработки новых подходов к автоматизации и управлению[1, т.1, с. 113].
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
В качестве объекта управления выступает алюминиевый сплав В95, из которого предполагается изготавливать металлопродукцию с более высоким уровнем свойств. Необходимо провести исследование процесса в таких ре-
жимах, которые заведомо превосходят соответствующие режимы процессов, освоенных в промышленности[3, с.20; 4, с.122].
Предлагается процесс опрессовки осуществляется в несколько этапов (рис. 1). Сначала металл 10 свободной заливкой, при помощи подрыва стопора 11, подают в полость формы через заливочную чашу 12. Правый плунжер 9 перекрывает заливочное отверстие, после чего в работу включается левый плунжер 5. С помощью пресс-плунжеров металл сжимают в полости формы 8, обеспечивая при этом качественное формообразование отливки. По мере образования корки по поверхности отливки к пресс-плунжерам прикладывают дополнительное усилие по определенному закону, под влиянием которого сопротивление корки преодолевают, а давление накладывают на кристаллизующийся металл, впрессовывая при этом внутрь отливки дополнительный объем металла, необходимый для компенсации усадки[2, с.47].
Рис. 1 Схема процесса
1 - левая подвижная плита, 2 - упор левый, 3 - камера прессования левая, 4 - левая полуформа, 5 - левый прессующий плунжер, 6 - бандаж, 7 - штуцер для связи с вакуумным насосом, 8 - полость формы, 9 - правый прессующий плунжер, 10 - жидкий металл, 11 - стопор, 12 - заливочная чаша, 13 правая неподвижная плита.
Отличие данной технологии, от известных процессов литья под давлением и жидкой штамповки, заключается в том, что давление накладывается изнутри, из-под корки закристаллизовавшегося металла. Процесс построен таким образом, что изменение величины давления отрабатывается с учетом развития
процесса кристаллизации во времени, с учетом свойств сплава, конфигурации отливки и других факторов.
Для реализации поставленной задачи был спроектирован, изготовлен и запущен пресс для литья с программным наложением давления (ПЛД-300). Конструкция пресса представлена на рис. 2.
Рис. 2. Конструкция пресса Обозначения: 1 - датчик перемещения штока мультипликатора; 2 - гидроцилиндр силового замыкания; 3, 8 - плиты опорные; 4 - колонна; 5, 7 - плиты подвижного блока; 6 - гильза - стяжка; 9 - гидроцилиндр прессования; 10 - датчик перемещения штока; 11 - башмак опорный; 12 - станина; 13 - гидроцилиндр встроенный; 14 - втулка опорная; 15 - основание неподвижное; 16 - чаша заливочная; 17 -матрица разъемная; 18 - кольцо с выходом к вакуумному насосу; 19 - плунжер прессующий; 20 - основание подвижное.
Предложенная конструкция и программно- кает в течение значительного отрезка време-
аппаратный комплекс пресса позволяют отрабатывать заданный закон наложения давления. Процесс опрессовки развивается во времени по нужной оператору траектории, но работка того или иного закона изменения давления во времени связанна с определенными трудностями. Из графиков, представленных на рис. 3, видно, что в отсутствии управления, при включении гидропривода, переходный процесс в гидросистеме проте-
ни, порядка 15 с, причем, в момент срабатывания клапанов, через которые рабочая жидкость давит на плунжеры 1 и 2, давление в гидросистеме резко снижается. Особого внимания заслуживает тот факт, что движение плунжеров происходит под влиянием давления, которое на отрезке времени 3-15 с, изменяется по зависимости близкой к линейной.
Рис. 3. Циклограмма движения плунжеров и роста давления в системе. где - движение плунжеров в мм; р - давление в гидросистеме.
Установив зависимость параметров структуры обрабатываемого материала от закона изменения давления р(т) или от положения прессующего плунжера х(т), можно создать следящую систему, которая динамические свойства гидропривода приводит в соответствие с поведением расплавленного металла под давлением [5, с.196; 6, с.233].
Аппаратная реализация осуществлялась на контроллерах ОВЕН ПЛК100 которые выполнены в полном соответствии со стандартом ГОСТ Р 51840-2001 (1ЕС 61131-2), что обеспечивает высокую аппаратную надежность (рис. 4).
Программирование контроллеров осуществлялось в профессиональной, и совершенно бесплатной для покупателей ОВЕН среде CoDeSys v.2.3.x.
Программирование контроллеров осуществлялось на языке ST (Structured Text, Структурированный Текст), который представляет собой язык высокого уровня, имеющий черты языков Pascal и Basic. Данный язык имеет те же недостатки, что и IL, однако они выражены в меньшей степени. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Как уже отмечалось выше, влияние давления на формирование структуры и свойств изучено на образцах из сплава В95.
На диаграммах представлены механические свойства сплава в зависимости от технологии обработки. Прочность сплава полученного по традиционной технологии (рис.5): ов =90 МПа; сплав, полученный с использованием предлагаемой технологии (рис.6) ов =220МПа
Рис. 4 Схематичное изображение схемы управления.
Рис. 5 Кривая деформации
Ü3« TS* »7 t 5 37 503 414
г я
094
K'H
Loifl-Оегрг
Odd
I , t -
1
со си \ -F-_ си Ф5 1
.... 1 .... Е
/ \ I ч
1 ______Е I ----«
"J" 011
00»
Ii»
t«fi
г sit
J.Mi
3 iii
i<fM
SWS
MM
Рис. 6 Кривая деформации
Фото микроструктуры литого образца полученного по традиционной технологии приведено на рис.7.
Для сравнения на рис.8 приведена микроструктура того же сплава полученная с использованием предлагаемой технологии.
Улучшение механических свойств под влиянием программного наложения давления может быть связано, прежде всего, с уплотнением металла в местах расположения - микро-пор, микрорыхлот, а также с опрессовкой межзеренных границ[7, с.49; 8, с.85].
Принципиальное отличие сплава полученного по традиционной технологии от предлагаемого способа, состоит в размерах дендритных ячеек и характере распределения избыточных фаз.
Благодаря программному наложению давления удалось добиться формирования однородной структуры как у поверхности, так и в центре слитка.
Обращает внимание отсутствие границ зерен. Дендритные ячейки плотно спрессованы по прямым линиям, разориентированны под углами ~ 120°, что наводит на предположение об объемном характере кристаллизации из отдельных центров, которые разрастаясь, вытесняют фазы на границы ячеек. Однако избыточные фазы видны не на всех границах, что может быть связано с образованием в ячейках пересыщенного твердого раствора.
Контроль изменения давления на всех этапах формирования структуры должен быть направлен на поддержание таких технологических режимов, при которых легирующие элементы Си, М§, 1п и др. по возможности, оставались в твердом растворе. Подбором температуры и времени выдержки в процессе охлаждения отливки в форме, распад твердого раствора, можно инициировать в интервале температур, обеспечивающем высокую дисперсность, а, следовательно, и высокую эффективность упрочняющих фаз[9, т.1, с.126].
ГЯ| 7/3/201Б HV WD mag curr tílt det -50 wm-
b'J Ь:52:20 РМ 30 00 kV 12 5 mm 1000* 91 pA 0 : ETD 1
Рис. 7
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе решения задачи по разработке компьютерной системы управления процессом литья металла с кристаллизацией под давлением, получены следующие результаты:
1. Разработан алгоритм управления процессом наложения давления, предусматривающий расчет скорости кристаллизации, расчет объема запрессовываемого металла, сравнение расчетных и фактических значений сжимаемости, корректировку закона наложения давления.
2. Осуществлена автоматизация процесса. Определены контролируемые и управляемые параметры. Разработана СУ с переменной структурой, включающая расчетный и измерительный контур.
3. Разработанная система управления реализована при производстве отливок из сплава В95. Достигнуто повышение предела текучести в 1,2 раза по сравнению с тем же сплавом в деформированном состоянии по серийной технологии, отмечено на ряде сплавов повышение твердости и модуля упругости.
Список литературы:
1. Большаков А.Е. Шестая всероссийская мульти-конференция по проблемам управления // Материалы мультиконференции: в 4 т. - Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2013. Т.1. - 178 с. с. 112-115.
6/25/2015 HV WD mag curr tilt det •-50 um
¿ 7 06:21 PM 30.00 kV 131 mm 1000« 91 pA 0 - ETD_
Рис. 8
2. Денисов М.С. Исследование процессов сжимаемости алюминиевых сплавов в процессе наложения давления на кристаллизующийся металл // «Машины, Технологии, Материалы» 2014. №3. С 46-49.
3. Коростелев В.Ф., Хромова Л.П., Рассказчиков А.Н. Управление процессом кристаллизации сплава В95 // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 8. С. 18-24.
4. Коростелев В.Ф., Хромова Л.П. Управление формированием квазикристаллической структурные свойства сплавов специального назначения. М.: Издательство «Новые технологии» - 208 с.: ил.
5. Korostelev V.F., Bolshakov A.E. Process control of steel production// European Applied Sciences №2 -2013. Germanypp.195-197
6. Hugh J. McQueen, Stefano Spigarelli, Michael E. Kassner and Enrico Evangelista. Hot Deformation and Processing of Aluminum Alloys — CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011. XXXII, 564 p. — ISBN-13: 978-14200-1768-7.
7. Денисов М.С. Разработка управляющей программы для процесса опрессовки поршней двигателей внутреннего сгорания // Computational nanotechnology. 2015. № 2 С. 46-50.
8. Коростелев В.Ф., Хромова Л.П. Управление формированием квазикристаллической структуры и свойств сплавов специального назначения. М.: 2015 г. Издательство «Новые технологии» - 208 с.: ил. ISBN 978-5-94694-028-3
9. Коростелев В.Ф., Денисов М.С. Задачи теоретических и экспериментальных исследований процесса кристаллизации металлов и сплавов. Теория и практика современной науки, том 1, 2012г. - с. 124-127 с.
РЕЦЕНЗИЯ
на статью М.С. Денисова «Разработка компьютерной системы управления процессом литья с
кристаллизацией под давлением» Использование давления как фактора внешнего динамического воздействия на формирование структуры и свойств сплава представляет значительный интерес, как с научно-технической, так и с практической точек зрения.
В освоенных в промышленности процессах литья давление накладывается без учета тех сложных структурно-фазовых превращений, которые протекают в интервале температур перехода из жидкого состояния в твердое. Поэтому эффект от использования давления не всегда высокий.
Автору представленной на рецензию статьи удалось выполнить экспериментальные исследования и показать, что физико-механические свойства напрямую зависят от системы управления технологическим процессом.
На представленных в статье графиках и микроструктурах видно явное различие, как механических, так и структурных свойств, в зависимости от выбранной технологии.
Анализ и сравнение установленных зависимостей дают информацию о скрытых свойствах сплавов, которые необходимо учитывать в процессе проектирования технологии, при разработке программ для числового управления наложением давления.
В заключение, необходимо отметить, что статья Денисова М.С. представляет значительный интерес для специалистов в области металлообработки и может быть опубликована в открытой печати.
Научный руководитель д.т.н., проф., Заслуженный деятель науки РФ, зав каф. АТП ВлГУ
В.Ф. Коростелев
