Введение к работе
-3-
Актуальность работы. В современном машиностроении, приборостроении, авиационной и космической технике широкое применение нашли заготовки и изделия из высокопрочных алюминиевых сплавов, полученные литьем под давлением и жидкой штамповкой.
Исследованиям в этой области посвящены работы ученых и специалистов в России, США, Германии, Японии и других странах. Наиболее известны труды Вейника А.И., Баландина Г.Ф., Белопухова А.К., Батышева А.И., Самойловича Ю.А., Дембовского В.В., Пржибыла И., Бартона X., Чалмерса Б., Nishida Y., Matsubara Н. и других авторов.
Получение высококачественной металлопродукции достижимо на основе контроля параметров, обработки информации и принятия решений для автоматизации управления процессом.
Однако на сегодняшний день автоматизация литейных процессов (и в частности, процесса литья с наложением давления) находится на недостаточно высоком уровне, что обусловлено следующими особенностями процесса:
недостаточная математическая база описаний процесса;
низкая информативность процесса;
малое количество параметров управления;
активная среда;
инерционность процесса управления.
В настоящее время автоматизированы в основном отдельные стадии процесса: например, локальная подпрессовка, заливка, заполнение пресс-формы, выбивка отливок.
Из анализа структуры применения материалов следует, что преобладающее место будут занимать высокопрочные алюминиевые сплавы и материалы на их основе. Дальнейшее улучшение свойств этих сплавов и их применение в различных отраслях могут быть достигнуты за счет разработки более совершенных технологий и применения новых, более эффективных алгоритмов, программ и технических средств автоматизированного управления. Поэтому тема диссертации, ориентированная на усовершенствование существующих и разработку новых систем управления (СУ) процессами литья с наложением давления, обеспечивающими повышение механических свойств изделий из алюминиевых сплавов является актуальной.
Анализ литературных данных показал, что до настоящего времени не проведен систематический анализ существующих подходов к разработке систем управления процессом, не вскрыты особенности механизмов структурообразования, отсутствует и научно обоснованный подход к выбору параметров термо-деформационной и временной обработки и их значений.
Ставится задача на модельных отливках повысить предел текучести изделия в 1,2 раза и при этом добиться снижения расхода энергетических и материальных ресурсов.
Для этого предлагается создать систему управления формированием структуры кристаллизующегося металла.
В диссертационной работе широко использованы труды и достижения отечественных и зарубежных ученых и специалистов в области автоматизации и
-4-управления: Бессекерского В.А., Попова Е.П., Солодовникова В.В., Пупкова К.А., Цыпкина ЯЗ., Мирошника И.В., Фрадкова А.Л., Красовского А.А., Петрова Б.Н., Емельянова СВ., Тимофеева А.В., Поспелова Г.С., Заде Л., Kalman R.E., Bellman R.E., Montana D.J., Davis L., White D.A.
Целью диссертационной работы является разработка системы управления процессом производства отливок с более высоким уровнем свойств из алюминиевых сплавов с использованием данных и знаний, полученных в процессе исследований, современной электронной базы, программно-алгоритмических и аппаратных средств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
обосновать с теоретической точки зрения возможность управления формированием структуры и свойств отливок в условиях программируемого (программно-корректируемого) наложения давления;
разработать экспериментально-аналитический метод, позволяющий на основе экспериментальных данных о распределении температуры в стенке формы проводить моделирование тепловых процессов в отливке, использовать информацию датчиков для расчета изменения объема металла;
провести исследования и установить закономерности формирования структуры и свойств отливок в зависимости от величины и характера наложения давления, а также с учетом температурных режимов кристаллизации, изучить свойства расплава как объекта управления (ОУ) в условиях наложения давления;
разработать программно-алгоритмическое и информационное обеспечение, состав и структуру системы управления;
разработать указания по практическому использованию результатов исследований в производстве изделий литьем с наложением давления.
В качестве объекта исследования выступает технологический процесс литья и формирования структуры металла в условиях наложения давления на жидкий и кристаллизующийся металл.
Предметом исследования и разработки является автоматизация технологии литья, в которой давление используется как управляемый параметр процесса.
Методы исследования основываются на фундаментальных законах физики и термодинамики, основных положениях теории автоматического управления, новых положениях теории сложных систем и синергетики, теории эксперимента, методах вычислительной математики и математического моделирования.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
разработан метод исследования, включающий экспериментально-аналитический метод исследования тепловых процессов, математическую модель тепловых процессов и математическое моделирование привода;
разработан алгоритм управления процессом литья с наложением давления;
разработана структура системы управления, позволяющей поддерживать требуемый закон наложения давления, согласованный со скоростью кристаллизации.
Практическая значимость работы состоит в сокращении времени и трудовых затрат на создание систем управления, на оптимизацию управляемых параметров, а также в повышении физико-механических свойств отливок.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе кафедры «Автоматизация технологических процессов» Владимирского государственного университета и на промышленных предприятиях, что подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на международных научных конференциях: Ежегодная Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (Москва, 2006), 1-я Российская мультиконференция по проблемам управления (С.-Петербург, 2006), Международная научная конференция «Математические Методы в Технике и Технологиях - ММТТ- 21» (Саратов, 2008), Всероссийском форуме «Образовательная среда-2007» (Москва, 2007).
Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК для публикаций результатов диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 146 наименования и приложений. Общий объем диссертации 170 страниц, в том числе: 160 страниц основного текста включающего 61 рисунок и 9 таблиц.
