3.4 Системный анализ процесса прессования. Принципы управления
Входными переменными процесса являются: геометрия и температура прессуемой заготовки и прессового инструмента (контейнера, матрицы, пресс-шайбы, иглы); механические, теплофизические и пластические свойства заготовки; механические условия взаимодействия на контактной поверхности заготовка-инструмент (силы трения); скорость движения пресс-штемпеля. Часть переменных, называемых наблюдаемыми, нельзя изменить в процессе прессования. К их числу относятся геометрия прессового инструмента и свойства заготовки. Управляющим воздействием является скорость движения пресс-штемпеля в процессе прессования. Температуры нагрева заготовки и прессового инструмента относятся к управляющим параметрам, которые задаются в начале процесса и в дальнейшем по ходу процесса целенаправленно не изменяются.
Выходные переменные процесса включают геометрию, температуру и физико-механические свойства пресс-изделия. Основной выходной переменной является температура пресс-изделия на выходе из очка матрицы, характеризующая динамику изменения температуры в очаге деформации от начальной температуры заготовки до температуры пресс-изделия. К числу случайных возмущений можно отнести случайные изменения свойств заготовок, сил трения и изменение давления в гидросистеме пресса. Управляющее воздействие приводит к изменению рабочего давления в гидросистеме пресса, что влечет за собой изменение скорости пресс-штемпеля. Уровень воздействия определяется данными о фактической и необходимой скоростях движения пресс-штемпеля, а также положением дросселя, управляющего рабочим давлением в гидросети пресса.
Не все перечисленные переменные могут быть замерены. Так, например, отсутствуют датчики для определения механических, пластических и теплофизических свойств, прессуемых заготовок непосредственно в технологическом потоке. Все эти свойства определяют в результате специальных предварительных исследований, проводимых в лабораторных и промышленных условиях. Однако основные переменные, такие, как скорость движения пресс-штемпеля, температура нагрева заготовки и температура пресс-изделия на выходе из очка матрицы могут быть замерены непосредственно. Следует отметить, что температура прессового инструмента при установившемся режиме работы пресса изменяется незначительно.
Гидравлические прессы с насосно-аккумуляторными станциями отличаются нестационарностью рабочего давления в гидросистеме. У них наблюдается интенсивный износ управляющего дросселя.
Специальные исследования, проведенные на гидравлических прессах усилием 58,8 МН, показали, что механические, теплофизические и пластические свойства заготовок имеют стохастический характер. Например, предел текучести заготовок из сплава Д16 при 400°С находится в интервале от 3,5 до 4,5 МПа. Температура нагрева заготовок изменяется на ±15°С от заготовки к заготовке. В результате температура пресс-изделия на выходе из очка матрицы изменяется на ±10°С на стационарной стадии процесса.
Таким образом, несмотря на стохастический характер многих входных и выходных переменных, процесс прессования алюминиевых сплавов отличается небольшой размерностью вектора выходных переменных, по которым производится оптимизация процесса. В ряде случаев при прессовании высокопрочных алюминиевых сплавов температура металла на выходе из очка матрицы является основной переменной, определяющей качество прессуемого изделия. Кроме того, существующие гидравлические прессы можно сравнительно легко оснастить датчиками для измерения основных технологических параметров и первичными средствами автоматики.
Все изложенное делает процесс прессования алюминиевых сплавов удобным объектом для создания автоматизированной системы управления. Систему управления непосредственно процессом прессования можно рассматривать как систему нижнего уровня в иерархической структуре управления полным технологическим процессом производства изделий из алюминиевых сплавов. Однако именно этот уровень определяет качество изделий и производительность всего процесса производства и является базой для создания систем управления более высокого уровня.
Многочисленными исследованиями также установлено, что в условиях изотермического прессования (при постоянстве температуры металла на выходе пресса по всей длине прессуемого изделия) достигается одновременно наилучшее качество пресс-изделий и наивысшая производительность процесса, если прессование осуществляется при максимально допустимых температурах металла на выходе пресса (эти температуры для большинства высокопрочных алюминиевых сплавов известны). Кроме того, именно в условиях изотермического прессования появляется возможность промышленного внедрения закалки высокопрочных алюминиевых сплавов непосредственно на желобе пресса, что значительно сокращает и интенсифицирует технологический процесс, способствует повышению качества изделий и снижению энергозатрат.
Для процессов прессования характерны сложные нелинейные зависимости между входными и выходными переменными. Комплексная математическая модель процесса прессования может быть задана только алгоритмически. Базовая модель в виде конечных соотношений между входными и выходными переменными может быть построена только для прессования изделий относительно простой конфигурации. При производстве изделий сложной конфигурации аналитическое построение базовой модели крайне затруднено. В этой ситуации приходится ограничиваться или максимально простыми рабочими математическими моделями, полученными аналитическими методами, или использовать идентификационные методы построения рабочих моделей.
Все изложенное выше, позволило сформулировать основные принципы, которые были положены в основу системы управления процессом прессования высокопрочных алюминиевых сплавов. Основное назначение системы управления – регулировка температуры металла на выходе из канала матрицы с целью обеспечения изотермического прессования. Регулирование температуры проще всего осуществлять путем изменения скорости движения пресс-штемпеля в процессе прессования (хотя возможны и различные варианты сочетания этого способа с методом градиентного нагрева заготовок перед прессованием и применением водоохлаждаемого прессового инструмента). Нестационарность и отсутствие точных математических моделей процесса сделало целесообразным создание адаптивной автоматизированной системы управления процессом прессования. При этом система управления должна способствовать развитию прогрессивных тенденций к усовершенствованию существующего технологического процесса прессования.
Комплексная
математическая модель процесса
прессования позволяет определить
температуру металла на выходе из очка
матрицы в зависимости
от положения пресс-штемпеля (эта
переменная эквивалентна времени при
условии, что процесс не останавливается),
основных технологических параметров
и скорости прессования V (s), заданной на
всем промежутке от 0 до s:
,
где
,
L – длина прессуемой заготовки за вычетом пресс-остатка.
Усилие прессования P в момент s в общем случае описывается функционалом:
Полное время прессования T также является функционалом:
Ограничения, накладываемые на температуру металла и обеспечивающие высокое качество изделий, имеют вид:
,
;
, 
;
,
,
где
–
максимально допустимая температура
прессизднлия,
l – положение прессштемпеля, начиная с которого выполняются условия изотермического прессования (назначается из технологических соображений и силовых возможностей установки).
Скорость V и усилие P подчинены естественным ограничениям:
;
,
где P* – полное усилие пресса.