Научные основы проектирования и создания технологических линий и агрегатов для производства прецизионных композиционных металлических материалов Зарапин, Александр Юрьевич

Введение к работе

Актуальность темы. Развитие металлургии в настоящее время характеризуется ростом производства композиционных металлических материалов, обладающих комплексом ценных свойств, которые позволяют одновременно обеспечить высокую прочность и пластичность, вакуумную плотность, сопротивление коррозии и электрической эрозии, электропроводность и теплопроводность и др.

Широкое применение в микроэлектронике, радиотехнике, электротехнике при конструировании прецизионных приборов нашли многослойные материалы с составляющими из никеля и его сплавов (ковара, фени и др.) и композиции с медными покрытиями.

Обработка давлением металлов и сплавов, входящих в состав рассматриваемых композиционных материалов, осложняется высокими температурами их плавления и склонностью к окислению и газонасыщению. Для осуществления их совместной деформации необходимо исключить или максимально затруднить их взаимодействие с активными газами воздуха, что требует создания специальных методов защиты. Наиболее эффективным способом защиты металлов и сплавов от окисления и гаэонасыщения в процессах их обработки является создание специального оборудования, позволяющего производить все операции - нагрев, пластическую деформацию, охлаждение и термообработку - в вакууме или в средах регулируемого состава.

Наряду с этим в нашей стране и за рубежом разрабатываются новые высокоэффективные технологические процессы обработки композиционных металлических материалов, сочетающие пластическую деформацию с воздействием электрических и магнитных полей, ультразвуковых колебаний и других физических эффектов. Получение высококачественных многослойных ленточных и проволочных материалов возможно путем электропластической деформации на прокатном оборудовании с пропусканием электрического тока через валки и прокатываемый материал или электроконтактным нагревом движущейся заготовки непосредственно перед очагом деформации.

В связи с этим возникает необходимость создания высокопроизводительного оборудования для производства композиционных металлических материалов. Этому требованию отвечает непрерывный процесс

получения многослойных лент и проволоки, включающий последовательно I технологические операции от подготовки и прокатки монометалличесі заготовки до получения многослойного продукта. Этот процесс являє^-многостадийным и требует применения целого ряда технологических агрега-различного назначения, объединенных в единую непрерывную линию - систему

Анализ известных технологических комплексов для производс-многослойных композиций показал, что для рассматриваемых в рабі материалов они не обеспечивают высокого качества соединения составляют точности геометрических размеров и требуемых служебных характерна связанных со спецификой их применения.

Поэтому разработка научных основ проектирования и создаї технологических линий и агрегатов для производства многослойных ленточны проволочных металлических материалов является актуальной задачей, кото| имеет важное народнохозяйственное значение и вносит значительный вкла, ускорение научно-технического прогресса.

Исследования выполнялись в соответствии с межвузовской науч технической программой "Металл", программой "Высокие технологии выси школы", госзаказом министерства электронной промышленности СССР на 1 1990 гг., государственной научно-технической программой 'Технологии, машин производства будущего", конкурсами грантов в области фундаменталы проблем металлургии и машиностроения, планами госбюджетных Hay^t исследовательских работ МИСИС.

Цель и задачи работы. Создание технологических линий и агрега непрерывного производства прецизионных композиционных металличес материалов для современных отраслей науки и техники на базе раэви теоретических основ их проектирования и математического моделирования.

Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:

проанализировать и систематизировать современные технолога оборудование для производства композиционных металлических материа) обобщить опыт работы ведущих проектно-конструкторских и нау< исследовательских организаций и сформулировать основные принц проектирования технологических линий и агрегатов;

разработать научные основы проектирования технологических линий и агрегатов с использованием объектно-ориентированного подхода и многоуровневой структуры базы знаний;

разработать универсальную методику расчета и проектирования вакуумных систем технологического оборудования с применением научного конструирования и баз данных;

на основе проведенных исследований разработать технологические линии для производства многослойных ленточных и проволочных материалов с использование электроконтактного нагрева, электропластической деформации и сред контролируемого состава;

математическим моделированием исследовать влияние технологических факторов на состав оборудования линий и конструктивные параметры отдельных агрегатов;

провести опытно-промышленные испытания спроектированного и модернизированного оборудования технологических линий .

Научная новизна.

1. Разработана система управления процессом проектирования технологических линий и агрегатов для производства прецизионных композиционных металлических материалов, которая основана на анализе и обобщении опыта работы ведущих проектно-конструкторских организаций РФ и использовании системных принципов проектирования.

2. Впервые для создания линий и агрегатов предложено использовать объектно-ориентированный подход, согласно которому по заданной или разработанной технологии строят функциональную схему работы и объектно-ориентированную модель, являющиеся научной основой для создания технологической схемы линии и выбора из базы данных или конструирования конкретных агрегатов.

3. На основе систематизации и классификации технологических процессов установлены основные обобщенные операции, оказывающие определяющее влияние на качество композиционного материала: непрерывная подача составляющих, подготовка их поверхностей к соединению, предварительное и окончательное соединение; разработаны обобщенные функциональная схема работы и объектно-ориентированная модель линии.

4. Предложена многоуровневая структура базы знаний, которая flj конкретного композиционного материала включает комплекс функциональж схем, объектно-ориентированных моделей, модулей и агрегатов.

5. Впервые разработана универсальная инженерная методика расче низко-, средне- и высоковакуумных систем технологического оборудования ді производства композиционных металлических материалов. Paзpaбoтa^ алгоритмы расчета вакуумных систем, выбора вакуумных схем, типов вакуумні насосов и конструкционных вакуумных элементов с использованием созданні базы данных "Вакуумные системы".

6. Разработаны функциональная схема работы и объектн ориентированная модель линии для получения прецизионных композиционні проволочных материалов, которые использованы при создании технологи выбора состава оборудования с применением баз данных и научно конструирования модулей линий для производства платинитовой круглой молибден-медной прямоугольной проволоки.

7. На основе совместного решения уравнений теории волочени закономерностей контактного трения и вакуумной техники разработаь математические модели узла ввода сердечника в рабочую вакуумную камеру вывода платинитовой проволоки, выполненных в виде совокупное последовательно расположенных фильер. В результате имитационно моделирования установлено количество вакуумных камер, оптимизироваї распределение в них давлений и определено количество фильер в кажде герметизирующем блоке.

8. Разработаны функциональные схемы работы и объектн ориентированные модели линий для получения многослойных ленточні материалов, которые использованы при создании технологии, выбора состаї оборудования с применением баз данных и научного конструирования модулі линий для производства трехслойных лент из никеля и его сплавов, композиці "металл - металлокерамика", биметалла "алюминий - нержавеющая сталь" полос с газотермическими покрытиями из никеля.

9. Разработаны математические модели линий злектропластическі прокатки многослойных проволочных и ленточных материалов с управляемь электроконтактным нагревом, основанные на решении системы неоднородні дифференциальных уравнений теплопроводности и реализованные в ви^

прикладных компьютерных программ. Получены закономерности изменения температурного поля на всех участках технологической линии, которые использованы при обосновании состава оборудования, схем подачи электрического тока и определения расстояний между модулями в зависимости от температурного режима нагрева составляющих композиционного материала.

10. Имитационным моделированием линии для производства прецизионной молибден-медной прямоугольной проволоки установлено, что при плющении круглой проволоки следует применять электроконтактный нагрев, а при прокатке прямоугольной - электропластическую деформацию.

11. Показано, что для повышения качества многослойных лент в технологической линии необходимо применение модуля предварительного соединения основы с плакировками для герметизации контактирующих поверхностей с целью защиты зон схватывания от окисления. В результате анализа возможных вариантов управления процессом нагрева трехслойных лент установлено, что наиболее приемлемыми на практике являются два варианта: одновременный нагрев плакировок и основы или нагрев только основы.

12. Разработана имитационная модель линии для получения композиционных материалов типа "металл - металлокерамика", основанная на кинетике образования связей при диффузионном взаимодействии металлов. Экспериментально-аналитическим способом получены зависимости коэффициентов и периода активации диффузии от температуры для композиций "железо - молибден", "железо - никель" и "никель - ковар".

13. Математическим моделированием обосновано применение электроконтактного нагрева обеих составляющих биметалла "алюминий -нержавеющая сталь" и даны рекомендации по выбору технологических параметров нагрева и деформации, а также для определения расстояний между элементами агрегата и выбора электрооборудования, обеспечивающего подачу требуемого электрического тока.

14. В результате исследований технологического процесса производства термобиметаллических полос установлено, что перед прокаткой необходимо проводить дегазацию полосы с газотермическим покрытием в специальном низковакуумном модуле, для которого разработаны функциональная схема работы и методика расчета и проектирования.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. С применением математического моделирования разработае технологическая линия для непрерывного производства проволоки из платинита повышенной вакуумной плотностью. Создан промышленный образец модуі деформирования и сварки.

2. Разработан технологический комплекс для производства трехслойнь полос с составляющими из никеля и его сплавов злектропластическс деформацией в сочетании с электроконтактным нагревом. Выбран состг оборудования с применением баз данных и научного конструирования.

3. Результаты исследований использованы: при модернизации стаь МАМП для уточнения электрических параметров, обеспечивающих полученк требуемой температуры в очаге деформации, и корректировки скорости прока и режимов обжатий; при создании плющильного стана конструкции ОКБМ дг определения расстояний между токоподводящей фильерой и осью прокатнь валков и выбора электрооборудования для подачи требуемого зле.ктрическоі тока при электроконтактном нагреве и электропластическом деформировании

4. На основе комплекса экспериментальных и теоретичесю исследований разработана технологическая линия для непрерывно! производства полос с газотермическими покрытиями из цветных металлов сплавов повышенной пластичности без снижения производительности nF переходе с одной толщины полосы на другую, которая позволяет получат монолитные по своей структуре покрытия заданной толщины, обладающі/ высокими когезионными и адгезионными характеристиками.

5. Разработаны рекомендации по совершенствованию агрегата прокати алюминиевой ленты, плакированной нержавеющей сталью, путем замен вакуумного отжига ленты нержавеющей стали на высокоскоростнс электроконтактный нагрев. Для повышения качества биметаллической ленты состав агрегата предложено введение камеры выравнивания темцературы п ширине алюминиевой ленты, для определения длины которой выведен расчетная формула.

6. На основе объектно-ориентированного подхода и результате имитационного моделирования спроектирована линия для получения материал "металл - металлокерамика". Испытания отдельных модулей линии, выбранных v

разработанных баз данных, подтвердили правильность выбранных технологической схемы и состава оборудования линии.

7. Лабораторные и опытно-промышленные исследования с применением методов планирования экспериментов показали, что созданная технологическая линия обеспечивает получение прецизионной биметаллической ленты (прямоугольной проволоки) с высоким качеством соединения составляющих и равномерным распределением тонкого медного слоя по периметру молибденового сердечника; даны рекомендации по технологическим параметрам процесса электропластической деформации с электроконтактным нагревом, которые использованы при разработке ТУ на прецизионную молибден-медную прямоугольную проволоку.

8. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, методики расчета и проектирования явились научной базой для разработки новых технических и технологических решений, использование которых на ряде ведущих предприятий промышленности (ПО "Кристалл", ВНИИМЭТ, ОАО ВИЛС и др.) обеспечило создание агрегатов и линий для непрерывного получения прецизионных композиционных металлических материалов, привело к повышению выхода годного и снижению брака, позволило отказаться от оборудования и материалов импортной поставки и дало значительный технико-экономический эффект.

9. Методики и алгоритмы проектирования технологических линий и агрегатов, разработанные в процессе выполнения диссертации, применяется в проектно-конструкторских организациях РФ и стран СНГ (КБ ВИЛС, ОКБМ, ИЭС им. Е.Патона, ОКБ "Луч", ВНИИМЕТМАШ, ГИПРОЦМО и др.). Разработки автора использованы при выполнении ряда научно-исследовательских и диссертационных работ лаборатории ППДУ и кафедр МАМП и ОМД Московского государственного института стали и сплавов.

10. Теоретические положения, методики и алгоритмы, представленные в диссертации, используются в учебном процессе специальности 1703 "Металлургические машины и оборудование" вузов РФ (МИСИС, МГВМИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ЛГТУ, НИИ, СКГТУ и др.) по дисциплинам "Расчет и проектирование механизмов и систем технологического оборудования", "Конструирование машин и оборудования металлургического производства" и

"Проектирование цехов, технологических линий и аппаратных комплексов", а также при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на расширенных семинарах кафедры "Машины и агрегаты металлургические предприятий" МИСИС (Москва, 2000 г., 1S98 г.), научном семинаре кафедрь 'Технологические машины и оборудование" СКГТУ (Владикавказ, 2000 г.), Ill-eu международном конгрессе прокатчиков (Липецк, 1999 г.), международных научно технических конференциях «Вопросы проектирования и эксплуатации технически) систем в металлургии, машиностроении и строительстве» (Старый Оскол, 1999 г. и "Информационные технологии в производственных, социальных t экономических процессах" (Череповец, 1999 г.), объединенном семинаре лабораторий НПО-2 ВИЛ С (Москва, 1999 г.), региональной научно-техническоі конференции НИИ (Норильск, 1999 г.), всесоюзных научно-технически; конференциях "Опыт производства и применения металла с покрытиями (Запорожье, 1988 г.) и "Задачи технического перевооружения листолрокатноп производства" (Днепропетровск, 1987 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в брошюрах, 31 статье, 4 учебных пособиях для вузов и 3 авторских свидетельства на изобретения.

Объем работы. Диссертация изложена на 463 страницах машинописног текста, состоит из введения, пяти глав и выводов, содержит 117 рисунков, 1 таблиц, список использованных источников из 130 наименований и 4 приложения

Благодаря достижениям в обпасти физики твердого тела, металловедем и обработки металлов давлением, создан новый класс конструкционнь материалов - композиционные материалы, состоящие из двух и боле композиций. При производстве и применении этих материалов стремяті использовать лучшие качества отдельных составляющих с целью получені новых физико-механических свойств, которые не могут быть получены однородном материале.

Широкое применение при конструировании приборов электронной техники нашли многослойные материалы с составляющими из никеля и его сплавов (ковара, фени и др.) и композиции с медными покрытиями. В данной работе рассмотрены композиции, для которых отсутствовали хорошо отработанные технологии и промышленное оборудование: ленты биметаллические (термобиметаллы, алюминий - нержавеющая сталь) и многослойные (никель -ковар - никель); проволока круглая (платинит) и прямоугольная (молибден-медь).

Отечественные ученые (Бринза В.Н.. Голованенко А.С., Казаков Н.Ф., Каракозов Э.С., Кобелев А.Г., Колмогоров В.Л., Король В.К., Кузнецов Е.В., Лукашкин Н.Д., Шоршоров М.Х. и др.) показали, что для получения композиционных металлических проволочных и ленточных материалов наибольшее распространение получили способы их производства в твердой фазе с применением холодной или высокотемпературной пластической деформации.

Обработка давлением металлов и сплавов, входящих в состав рассматриваемых композиционных материалов, осложняется высокими температурами их плавления и склонностью к окислению и газонасыщению. Наиболее эффективным способом защиты металлов и сплавов от окисления и газонасыщения в процессах их обработки является создание специального оборудования, позволяющего производить все операции - нагрев, пластическую деформацию, охлаждение и термообработку - в вакууме или в средах регулируемого состава. Наибольший вклад в решение указанной проблемы внесли ученые МИСиС (Зарапин Ю.Л., Крупин А.В., Чернышев В.Н. и др.) и ВНИИМЕТМАШ (Серебрянников A.M. и др.). Наряду с этим в нашей стране и за рубежом разрабатываются новые высокоэффективные технологические процессы обработки композиционных металлических материалов, сочетающие пластическую деформацию с воздействием электрических и магнитных полей, ультразвуковых колебаний и других физических эффектов. Получение многослойных высококачественных ленточных и проволочных материалов возможно путем электропластической деформации на прокатном оборудовании с пропусканием электрического тока через валки и прокатываемый материал или электроконтактным нагревом движущейся заготовки перед очагом деформации (Пасечник Н.В., Чиченев Н.А., Карелин Ф.Р. и др.).

В связи с этим возникает необходимость создания высокопроизводительного оборудования для производства композиционных

металлических материалов. Этому требованию отвечает непрерывный процесс получения многослойных лент и проволоки, включающий последовательно все технологические операции от подготовки и прокатки монометаллической заготовки до получения многослойного продукта. Этот процесс является многостадийным и требует применения целого ряда технологических агрегатоЕ различного назначения, объединенных в единую непрерывную линию - систему.

Как показал критический анализ научно-технической и патентной литературы, в которой рассматриваются проблемы создания машин и агрегатоЕ для производства композиционных металлических материалов, перспективные направлением является разработка высокоэффективного оборудования для прецизионных металлургических и физико-химических технологий, широке применяемых в современных отраслях науки и техники, на мини-заводах v предприятиях малой металлургии и электронной промышленности.

Проектирование технологических линий и агрегатов для производств: композиционных материалов основано на системном подходе, применение которого на практике тесно связано с методологическими принципами построени! систем: максимальной эффективности функционирования системы, типовості решений, обеспечение возможности развития системы и др.

Поскольку технологические линии (и агрегаты) являются сложньїмі системами, то процесс их проектирования представляет совокупност! взаимосвязанных решений, каждое из которых зависит не только от решений принятых на предыдущих этапах, но и от возможного влияния на последующи! этапы проектирования. Кроме того, на каждом этапе проектирования линиі возникает большое количество возможных решений, в результате чеп практически невозможно проанализировать всю совокупность возникающи вариантов. Следовательно, процесс проектирования линии нельзя представить і виде последовательности независимых друг от друга этапов, и поэтому методик; проектирования должна предусматривать возможность систематического оперативного корректирования или пересмотра принимаемых решений.

На основе анализа работ отечественных ученых (Целикоэа А.И., Ефименко СП., Зюзина В.И., Полухина П.И., Потапова И.Н., Романцева Б.А. и др.) и обобщения опыта разработки и создания металлургического оборудования ведущих проектно-конструкторских организаций России (ВНИИМЕТМАШ, ВИЛС, ГИПРОЦМО, ПО "ГРАНАТ", ОКБ "Луч" и др.) осуществлена систематизация основных принципов проектирования технологических линий и агрегатов, применение которых обеспечивает получение наилучших конструкторско-компоновочных решений. Показана пврспективность создания металлургического оборудования на базе агрегатно-модульного принципа построения.

Разработаны методика и алгоритм проектирования технологических линий и агрегатов для производства композиционных металлических материалов, которые основаны на использовании разработанных системных принципов проектирования (рис. 1). Применение методики показало высокую эффективность при разработке вакуумного оборудования и технологических линий для производства композиционных проволочных и ленточных материалов.

При построении системы проектирования технологических линий и агрегатов для производства прецизионных композиционных металлических материалов нами впервые применен объектно-ориентированный подход, который основан на следующих основных положениях: 1) в качестве элементов системы проектирования используются объекты, а не алгоритмы; 2) каждый объект проектирования можно отнести к определенному классу объектов; 3) классы объектов проектирования организованы иерархически.

Для разработанной системы характерно использование в качестве исходной информации технических требований к создаваемому объекту и знаний о методах его расчета и проектирования, основанных на функциональном назначении объекта. Поскольку в таких системах в явном виде присутствует банк (или база) знаний, то на некоторых этапах проектирования становится возможным принимать решения без непосредственного участия пользователя.

Функциональная структура системы проектирования, основанной на объектно-ориентированном подходе, представлена на рис. 2. На схем-" в прямоугольниках показаны выполняемые операции, а в кружочках приведены их результаты. Система проектирования содержит три основных подсистемы: 1) подсистема специалиста-эксперта; 2) подсистема пользователя; 3) интерактивная компьютерная подсистема.

Блок-схема алгоритма проектирования технологических линий для производства композиционных металлических материалов

14 -»С Конец )

Рис. 1

Функциональная структура системы проектирования, основанная на объектно-ориентированном подходе

Источники СпЕЧіиппист-зксПРрт L-Ш.

информации

Т>уничсскср зллпі

ПрОРКТИРОРПНЧО

Пользователь | П2

_м

1^ техыы. /Г проект

Данных, Г~/

Z*~ проект

4-===^-

Осуществлена систематизация информационных исследований по производству прецизионных композиционных металлических материалов, что позволило выделить основные обобщенные операции, которые оказывают определяющее влияние на геометрические, физико-механические и служебные характеристики рассматриваемых материалов: непрерывная подача составляющих, подготовка поверхности составляющих к соединению, предварительное и окончательное (прочное) соединение составляющих. Разработаны классификации основных технологических процессов (подготовки составляющих к соединению, соединение составляющих) по совокупности классификационных признаков. Достоинством предложенных схем является одновременный учет разнообразных характеристик процесса, возможность их дальнейшего развития и уточнения количества уровней и отдельных элементов. Схемы классификации позволяют реализовать методику проектирования машин и агрегатов для производства композиционного материала на основе формирования типовых технологических решений и оборудования, которые соответствуют основным процессам обработки металлов давлением.

На основе выбранной или заданной технологии строится функциональная схема работы линии, которая показывает не только необходимую совокупность и последовательность технологических операций, но и применяемое при этом технологическое оборудование (см. рис. 15). Функциональная схема работы линии представляет собой ориентированный граф, вершинами которого являются обобщенные технологические операции, дугами (ребрами) - входные и выходные состояния обрабатываемого материала, дополнительными линиями - связи каждой обобщенной операции с соответствующими подсистемами, модулями и агрегатами технологического оборудования. Ее построение базируется на разработанной классификации основных технологических процессов.

На следующем уровне решается проблема создания объектно-ориентированной модели технологической линии, которая представляет собой многоуровневый ориентированный "И - ИЛИ - граф", не имеющий циклов (см. рис. 5). С помощью этой модели решаются вопросы выбора соответствующих агрегатов (машин, механизмов, устройств и т.п.), при этом возможны три основных случая: необходимое оборудование можно выбрать из базы данных, выбранное с помощью базы данных оборудование нуждается в модернизации, оборудование необходимо создавать заново (рис. 3).

Иерархическая «И-ИЛИ» схема проектирования технологических

линий и агрегатов для производства прецизионных

композиционных металлических материалов;

белым кружочком обозначена операция «ИЛИ», черным - «VI».

Структура баз данных технологических линий для

производства прецизионных композиционных

металлических материалов

Функциональная схема ФС-1

Объектно-ориентированная модель ООМ_:1

Агрегат А-1

Узел сопряжения агрегатов А-2 и А-3

Классификация технологически* процессов

Классификация технологических

линий

База данных технологического

оборудования

Технология получения

Материала .

&

Функциональная схема ФС-2

4}

Объектно-ориентированная модель ООМ-2

Агрегат А-2

{У

Создание нового

агрегата

Узел сопряжения агрегатов А-1 и А-2

Функциональная схема ФС-Nc

Объектно-ориентированная

мораль OOM-Nm

ООМ-1

Модуль-1

Афегат-1

Рис. 3.

Впервые разработаны обобщенные функциональная схема работы и объектно-ориентированная модель пинии для производства композиционных металлических материалов, которые использованы при проектировании технологических линий и оборудования для производства платинитовои проволоки, плющеной медно-молибденовой ленты, биметаллической полосы "алюминий - нержавеющая сталь", многослойной композиции "ковар -псевдосплав - ковар - металлокерамика 22ХС", термобиметаллической полосы.

Предложена многоуровневая структура базы знаний по технологическим линиям для производства прецизионных композиционных металлических материалов, которая для конкретного материала включает наборы функциональных схем, объектно-ориентированных моделей, модулей и агрегатов База знаний является открытой, благодаря чему обеспечивается постоянное пополнение новыми данными о функциональных схемах, объектно-ориентированных моделях, модулях, агрегатах, новых методиках расчета и проектирования. Для повышения эффективности объектно-ориентированных моделей разработана классификация технологических линий для производства композиционных металлических материалов. При этом выбор или создание новых машин и агрегатов базируется на широком использовании баз данных.

Принципиальная сложность построения функциональной схемы работы линии для производства композиционного материала состоит в том, что технология его получения существенно зависит от многих факторов: физико-химических свойств и механических характеристик составляющих, количества и толщины (диаметра) отдельных слоев, исходного состояния поверхностей и др. Поэтому при разработке обобщенной функциональной схемы нами использованы указанные выше наиболее существенные технологические операции.

Из анализа разработанных обобщенных функциональной схемы работы и объектно-ориентированной модели линии установлено, что основными модулями, которые имеют место в подавляющем большинстве известных непрерывных способов получения рассматриваемых композиционных материалов, являются следующие: модуль непрерывной подачи составляющих, модуль подготовки поверхности составляющих к соединению, модуль предварительного соединения составляющих, модуль прочного соединения составляющих. Так как в процессе производства рассматриваемых в работе материалов некоторые операции осуществляются в среде контролируемого состава, то введен пятый модуль,

включающий вакуумную систему. В состав модуля входят различные машині агрегаты, устройства и механизмы, которые выполняют одну из основні технологических операций.

Нами предложена структура базы знаний по технологическим линиям д. производства прецизионных композиционных металлических материалов (рис. Каждая объектно-ориентированная модель (ООМ) линии содержит определена набор модулей, который в свою очередь состоит из совокупности arperaTf После построения функциональной схемы работы линии из базы данн выбирается соответствующая ей объектно-ориентированная модель, наприм ООМ-1. Если подходящей модели нет, то с помощью изложенной выше методі-проектирования осуществляется создание новой объектно-ориентированн модели (обычно путем модернизации одной из известных моделей, взятой прототип), которая потом заносится в базу данных по ООМ. Для выбранной 0( определяются модули и агрегаты, обеспечивающие выполнение задані-технологических операций. Если какой-либо модуль (или агрегат) в базе дані-отсутствует, то осуществляется его разработка с помощью соответствую!! методики проектирования, заложенной в базе знаний; после чего он таї заносится в базу данных. В ряде случаев, особенно при создании принципиалі новых технических решений, методика проектирования может отсутствовг тогда приходится разрабатывать соответствующую методику расчета проектирования, а при необходимости проводить научно-исследовательски опытно-конструкторские работы.

Таким образом, на базе совокупности описанных выше разработо полученных выше результатов - принципы и методика проектирования линк агрегатов, схемы классификации линий и основных технологических процес обобщенная функциональная схема работы и объектно-ориентированная мо линии, многоуровневая структура знаний и др. - созданы научные осн проектирования технологических линий и агрегатов для изготовле прецизионных композиционных металлических материалов.

Вакуумное технологическое оборудование находит широкое применение при производстве прецизионных композиционных металлических материалов, что связано с повышением требований промышленности к их качеству и с необходимостью разработки новых материалов, обладающих заданным комплексом физико-механических и служебных свойств. Оно предназначено для проведения физико-химических и технологических процессов в вакууме или контролируемой газовой среде, для изоляции технологических процессов от воздействия окружающей атмосферы или для создания особых условий при проведении экспериментов.

На основе систематизации информационных исследований разработана классификация вакуумного оборудования по совокупности классификационных признаков: назначение, глубина вакуума, вид физико-химического или технологического процесса и др. Достоинством схемы классификации является ее универсальность и возможность проектирования вакуумного оборудования на основе формирования типовых технических решений и выбора машин и агрегатов из соответствующих баз данных.

Нами предложена обобщенная функциональная схема работы вакуумной системы технологического оборудования для получения композиционного материала. Она включает несколько функциональных блоков, обеспечивающих выполнение определенных операций: герметизацию рабочего пространства, вакуумирование рабочей зоны, создание среды заданного состава. Для осуществления указанных процессов в вакуумную систему включены три подсистемы: рабочая вакуумная камера, модуль откачки и модуль напуска газов. Поскольку вакуумная система используется для реализации физико-химических и технологических процессов, то ее состав дополнен соответствующими модулями и устройствами: деформирующим оборудованием, агрегатом зачистки, установкой диффузионной сварки и др.

Для создания эффективной системы проектирования разработана объектно-ориентированная модель вакуумной системы, представленная на рис.5. Она включает в себя три основных уровня: сборочные единицы, узлы и детали. В качестве сборной единицы принята вакуумная система в целом, являющаяся

Сборочная единица

Объектно-ориентированная модель вакуумной системы

[""вакуумная система"!

Рабочая камера

Бакуумно-откачной

ПОСТ

Контрольно-измерительная аппаратура

Система напуска газов

Кришк

злюрная ар моту р з

вакуумний насос

Влк)уміплІ1

Tpj боїіровол

Манометрически"

Манометр

Оиьем шок ОГО ддокиїїя

-\ Дівице |-

I 3jtbi>p і

ловушкі

Корпус

І ЇОшинІ

А-фіїіікчоткічіюЙ, В-фланеиіпмеритсяький.С-ф.'Ші*и«лиіс*.иоіі;

D~ фланец смотровой; Е'флаиецїсхн0Л.огичссхіій>Р-фланец прпсоемттсльиый.

Рип fi

самостоятельным модулем технологического оборудования. К основным узлам вакуумной системы относится: рабочая камера, вакуумно-откачной пост, контрольно-измерительная аппаратура и система напуска газов. Каждый из узлов имеет определенное количество подузлов. Штриховыми линиями показаны связи между деталями различных узлов вакуумной системы. При проектировании вакуумных систем технологического оборудования все стандартные и унифицированные детали и узлы выбираются из баз данных.

Проведенный анализ показал, что в настоящее время нет единой методики расчета вакуумных систем, а имеющиеся сведения носят разрозненный характер. С целью создания оптимальных вакуумных систем нами разработана универсальная инженерная методика расчета низко-, средне- и высоковакуумных систем технологического оборудования для производства композиционных металлических материалов. Разработаны алгоритмы расчета вакуумных систем, выбора вакуумных схем, определения типов вакуумных насосов и конструкционных вакуумных элементов с использованием баз данных.

Расчет вакуумной системы проводят в два этапа (рис. 6). При выполнении проектировочного расчета сначала осуществляют выбор типовой вакуумной схемы в зависимости от глубины вакуума. Затем выбирают вакуумные насосы по следующим условиям (рис. 7):

S_H>k-Q/p_P, Р_ПР<РрГк,

где Sh - номинальная быстрота действия вакуумного насоса, м³/с; к - коэффициент использования насоса; Q - поток газа, поступающий в вакуумную камеру, м³Па/с; Рр - рабочее давление в вакуумной камере, Па; рпр - предельное давление насоса, Па.

Последним этапом проектировочного расчета является определение конструктивных размеров элементов вакуумной системы, при этом длины трубопроводов выбирают конструктивно, пользуясь компоновочной схемой. Расчет проводимостей отдельных элементов вакуумной системы выполняют по стандартным формулам из справочной литературы, исходя из определенного режима течения газа. По вычисленной проводимости и известной длине трубопровода определяют его диаметр. Различные элементы вакуумной системы (клапаны, затворы и др.) выбирают из баз данных.

Порядок расчета вакуумной системы

Порядок выбора вакуумных насосов

Диіннсісмнсобсшсчніїег ]

Рис.6

Рис.7

После проведения проектировочного расчета проводят проверочный расчет, который сводится к определению газовыделения и расчету распределения давлений. Стационарный поток газа из вакуумной камеры Q имеет несколько составляющих:

Q = Q,+ Q„ + Q_T + Q_n, где Qk - газовыделение элементов конструкции камеры, Q„ - натекание через оболочку камеры, Q_T - технологическое газовыделение, Q_n - проницаемость материалов, м³Па/с. Формулы и таблицы для расчета составляющих газового потока приведены в литературе и занесены в разработанную базу знаний.

Давление в сечениях между элементами участка вакуумной системы определяют следующим образом:

р,к = Pnpj + Q/S_Hl + QA!_M , где (p„p.i + Q/Shi) - давление во входном сечении вакуумного насоса; (Q/Uk,) -повышение давления на к-м элементе і-го участка вакуумной системы. Рассчитав распределение давления в вакуумной системе оценивают возможность запуска системы, области совместной работы насосов, остаточное давление в вакуумной камере Ррасч- При неудовлетворительном результате расчета необходимо внести изменения в вакуумную схему, выбрать новые элементы с необходимыми характеристиками и произвести новый расчет, или изменить исходные технологические условия.

На основе объектно-ориентированного подхода разработана функциональная структура системы проектирования вакуумных систем технологического оборудования, в которую входят три основные подсистемы: специалиста, пользователя и интерактивная компьютерная. В подсистеме специалиста происходит накопление и обработка информации, находящейся в распоряжении специалиста - от каталогов до методик и результатов исследований. В результате формируется банк знаний, располагающий системой баз данных и блоком методик проектирования и расчета вакуумных систем. Данная система, являясь закрытой для пользователя в плане изменения её внутренней структуры, доступна для специалиста с целью внесения изменений и дополнений. В подсистеме пользователя происходит выполнение технического задания с использованием информации, накопленной в подсистеме специалиста. Результатом работы пользователя является формирование конструкторской и

технической документации. Взаимодействие систем пользователя и специалист осуществляют через интерактивную компьютерную систему.

Для проектирования вакуумных систем технологического оборудовани нами разработана база данных «Вакуумные системы» с использование! конструктора баз данных оболочки Microsoft Access. Создаваемые формь запросы и отчеты позволяют быстро и эффективно обновлять данные, получат ответы на вопросы, осуществлять поиск нужных данных, анализировать данные печатать отчеты и диаграммы.

Структура базы данных представляет собой набор таблиц, содержащи: информацию об отдельных элементах вакуумных систем, и списка запросов

ПОЗВОЛЯЮЩИХ СОВерШИТЬ Последовательную выборку Необходимых элементов ДЛ!

создания вакуумной системы.

Разработанная система баз данных использована при проектирована низковакуумного модуля для производства композиционных материалов (рис. 8).

Низковакуумный модуль для подготовки металлов к прокатке

Рис.8

На основе предложенного алгоритма рассчитана низковакуумная система, которая имеет в своём составе вакуумную рабочую камеру, соединённую через

систему клапанов, трубопровод и ловушку с форвакуумным насосом. Анализ вакуумной системы показал, что она может быть выполнена из стандартных и унифицированных деталей и узлов, которые имеются в разработанной нами базе данных. 8 данном случае созданы запросы на последовательную выборку необходимых насосов по глубине создаваемого вакуума, по типу конструкции насосов, по техническим характеристикам (быстродействию, предельному давлению) с конечным выводом результатов выборки в виде чертежа вакуумного насоса и его основных технических характеристик (рис. 9).

Разработана конструкция сверхвысоковакуумной камеры для проведения различных технологических процессов (диффузионная сварка, прессование, создание рабочих поверхностей с заданным комплексом физико-механических свойств) при производстве композиционных металлических материалов.

Таким образом, предложенная система баз данных "Вакуумные системы" позволяет конструировать вакуумное технологическое оборудование различной сложности с возможностью пополнения самой базы данных.

В электронной и радиотехнической промышленности для герметичных (вакуумных) вводов через стеклянные оболочки электровакуумных, полупроводниковых и светильных приборов широко применяют платинит, который представляет собой биметаллическую проволоку из железоникелевого сплава 42НА (фени) с оболочкой из меди.

В МИСиС, совместно с ОКБ "Луч", разработан технологический процесс производства стальной проволоки, плакированной медью, который включает: непрерывную подачу стального сердечника и медной ленты; обезжиривание и зачистку контактирующих поверхностей в инертной среде; формирование трубной заготовки из медной ленты, сварки ее кромок и опрессовывание вокруг сердечника; нагрев и волочение заготовки на заданный размер. Для получения надежного и вакуум-плотного сцепления по всему периметру поперечного сечения биметаллической проволоки нами предложено осуществлять обработку контактирующих поверхностей э вакууме 6,6...13,3 Па. Формирование и сварку

Фрагмент выбора форвакуумного насоса

іьммтмттвт

fflefffitlRxJii*" \',&*v~~j-.-mip^titsl .апексы]

11 ЗОТРОСПОбыСтрОДвйСТвмо

Запрос по глуомив «вкуунд Запрос го првдаяыюму давлем»УО

ВМСДЩЙ »1HW..

Пвухротооный <шт Пэрргц?:шьш ,1Н) Ну-ву-стпуичыи с Левушкам* (Г

Бу^арный лдрпстпуиныа (, ТуоаомопдкУ1Ыпныа {ГИ1 М^иуорэарРДИЬ|& (ЧГУД)
Гягапоипнны» ҐГМНІ СвйЧТЙЧН|<ы8 уЗНОЗ

Яра.ца^пі.нчйпязегиячагьійІВПІ і ., _ ._

шжшвшяшщящшяшшщш

3. Контрольно-мэме ритвльмая аппарі

4. Конструкционные материалы

5. Конструкционные элементы

втмм«гї _ . .. „_^___„ ^

\\ файл Op**». B.w\ &si*H*%wtfa ^пІт^йттик-Щт^

лиюаЛктткГ'^Г^^ЯЩ ЧйЖЪшт* ии«-

.|OI*l

. С»«1>*аысдки« «awyyw ^

ВВН1-12 Технические характеристики

Рис.3.

трубной заготовки следует также вести в вакууме, а опрессовку осуществлять з волоках с обжатием 3...8%. Полученную биметаллическую заготовку нагревают до 850...920С и прокатывают по режиму повышения вытяжек 2...7%.

На основе общего подхода к проектированию технологических линий и агрегатов разработана функциональная схема работы технологической линии для производства платинитовой проволоки, которая включает в себя три подсистемы: подсистема 1 - линия подготовки ферроникелевого сердечника, подсистема 2 -линия подготовки медной ленты, подсистема 3 - линия получения биметаллической проволоки. В свою очередь каждая подсистема содержит три функциональных блока, предназначенных для выполнения одной обобщенной технологической операции. Представленная функциональная схема дает полное представление как о технологическом процессе производства платинитовой заготовки, так и о необходимых для его реализации подсистемах, модулях и агрегатах основного технологического оборудования.

Разработанные функциональная схема и объектно-ориентированная модель послужили основой для создания технологической линии для непрерывного производства прецизионной платинитовой проволоки {рис. 10), а также разработки и исследования математической модели входного устройства для сердечника, научного конструирования отдельных элементов линии (устройства механической зачистки, входного и выходного устройств, модуля деформирования и сварки, вакуумной системы и др.).

При проектировании линии большинство модулей и агрегатов (разматыватели, стыкосварачная машина, моталка, агрегат ультразвукового обезжиривания и др.) были выбраны из соответствующих баз данных, имеющихся на предприятиях ОКБ "Луч" (г. Владикавказ) и ОКБМ (г. Калуга). Некоторые агрегаты (модуль редуцирования, накопитель ленты, правильная машина, ножницы и др.) были модернизированы с целью адаптации к данному технологическому процессу. В то же время для модуля деформирования и сварки в вакууме не было найдено аналогичных технических решений. В связи с этим осуществлено научное конструирование универсального модуля деформирования и сварки при производстве круглой биметаллической проволоки в среде контролируемого состава; обосновано применение фильер в узлах ввода сердечника и вывода биметаллической заготовки для герметизации рабочего пространства вакуумной камеры (рис. 11).

Схема технологической линии для непрерывного производства платинитовои проволоки

\* V \р у» w

ОС)

_о

к вакуумной системе

Рис.10.

Линия для получения композиционного материала "металл - металлокерамика"

12 3 4 5 8 6 7 9^ Ш 11

к вакуумной
системе (

N3 оз

Рис. 18.

Модуль деформирования и сварки

Рис. 11

Узел ввода сердечника из атмосферы в рабочую камеру высокого вакуума

зо

Разработана математическая модель узла ввода сердечника в рабочую вакуумную камеру, которая основана на совместном использовании теории волочения, закономерностей контактного трения и вакуумной техники. Она содержит две основные части: стержневую модель шероховатой поверхности и модель вакуумного ввода.

Ввод сердечника в вакуумную камеру осуществляется путем волочения через фильеры, и поэтому контурное давление равно

Рнон - ( = ^о_Тл а_тл где (ash? - среднее значение сопротивления деформации материала сердечника в очаге деформации; от,н и от,к - условный предел текучести сердечника на входе и выходе из фильеры.

Величина относительного сближения контактирующих тел при использовании стержневой модели в случае пластического контакта определяется параметром b опорной кривой профиля

8 =

г коп

с-сг, />

.UU.I ⁺ '\VMJT,2

где R_MAX - наибольшая высота неровностей профиля, величина коэффициента с зависит от материала и формы контактирующих поверхностей.

Расчетная схема узла ввода сердечника в рабочую высоковакуумную камеру Камера низкого вакуума Камера среднего вакуума Камера высокого вакуума