Модель объекта регулирования температуры параметрами электростимулирующего воздействия

Технологии обработки давлением металлической заготовки с использованием мощных импульсов тока приобретают все большее распространение и в России, и за рубежом. Уникальные электромеханические процессы изучаются и совершенствуются в лабораторных и производственных условиях. Процесс воздействия электрического тока на заготовку сопровождается изменением ее физических свойств в результате так называемого электропластического эффекта (ЭПЭ). Одновременно повышается температура заготовки в  зоне деформации. Для качественной и надежной работы волочильного стана при электростимулированном волочении (ЭСВ) необходимо применять систему автоматики для регулирования усилия и температуры. С целью реализации контура регулирования температуры требуется синтезировать передаточную функцию объекта регулирования – стальной проволоки, обрабатываемой давлением (прокатка или волочение). Рассмотрен синтез и анализ параметров модели объекта регулирования температуры. Использованы известные соотношения: зависимость мощности генератора импульсов от рассчитанных параметров (начальной температуры, диаметра, удельного веса и электрического сопротивления заготовки, длительности импульса); зависимость среднеквадратичного тока генератора от амплитуды и частоты воспроизведения импульсов; зависимость магнитной проницаемости заготовки от ее температуры; зависимость удельного электрического сопротивления материала проводника от температуры. В среде «MATLAB – Simulink» синтезирована модель объекта регулирования температуры как функции от параметров генератора мощных токовых импульсов (амплитуды и частоты), а также параметров обрабатываемой заготовки (диаметра, длины образца, линейной скорости, начальной температуры, удельного сопротивления при начальной температуре). Выполнен анализ модели, приведены переходные процессы при различных режимах работы. С использованием разработанной модели получены зависимости температуры, мощности и эквивалентного сопротивления от параметров генератора и заготовки при различных частотах импульсов генератора и диаметрах заготовки. Разработанная модель может быть использована для лабораторных исследований электропластического эффекта, а также в производстве в системах автоуправления электростимулированным волочением с целью реализации объекта регулирования в виде модели.

1. Hong S.-T., Jeong Y.-H., Chowdhury M.N., Chun D.-M., Kim M.-J., Han H.N. Feasibility of electrically assisted progressive forging of aluminum 6061-T6 alloy // CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2015. Vol. 64. No. 1. Р. 277–280. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2015.04.084

2. Perkins T.A., Kronenberger T.J., Roth J.T. Metallic forging using electrical flow as an alternative to warm/hot working // ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2007. Vol. 129. No.1. Р. 84–94. https://doi.org/10.1115/1.2386164

3. Egea A.J.S., Rojas H.A.G., Celentano D.J., Peiró J.J. Mechanical and metallurgical changes on 308L wires drawn by electropulses// Materials & Design. 2016. Vol. 90. Р. 1159–1169. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.11.067

4. Tang G., Zhang J., Zheng M., Zhang J., Fang W., Li Q. Experimental study of electroplastic effect on stainless steel wire 304L // Materials Science and Engineering: A. 2000. Vol. 281. No. 1-2. Р. 263–267. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(99)00708-X

5. Hameed S., Rojas H.A.G., Egea A.J.S., Alberro A.N. Electroplastic cutting influence on power consumption during drilling process// The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2016. Vol. 87. No. 5-8. Р. 1835–1841. https://doi.org/10.1007/s00170-016-8562-z

6. Zhang D., To S., Zhu Y.H., Wang H., Tang G.Y. Static electropulsing-induced microstructural changes and their effect on the ultraprecision machining of cold-rolled AZ91 alloy // Metallurgical and Materials Transactions A. 2012. Vol. 43. No. 4. Р. 1341–1346. https://doi.org/10.1007/s11661-011-0955-x

7. Langer J., Hoffmann M.J., Guillon O. Direct comparison between hot pressing and electric field-assisted sintering of submicron alumina // Acta Materialia. 2009. Vol. 57. No. 18. Р. 5454–5465. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.07.043

8. Munir Z.A., Quach D.V., Ohyanagi M. Electric current activation of sintering: A review of the pulsed electric current sintering process// Journal of the American Ceramic Society. 2011. Vol. 94. No.1. P.1–19. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2010.04210.x

9. Santos T.G., Miranda R., Vilaca P. Friction stir welding assisted by electrical joule effect // Journal of Materials Processing Technology. 2014. Vol. 214. No. 10. Р. 2127–2133. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2014.03.012

10. Santos T.G., Lopes N., Machado M., Vilaca P., Miranda R.M. Surface reinforcement of AA5083-H111 by friction stir processing assisted by electrical current // Journal of Materials Processing Technology. 2015. Vol. 216. Р. 375–380. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2014.10.005

11. Jeswiet J., Micari F., Hirt G., Bramley A.N., Duflou J., AllwoodJ. Asymmetric single point incremental forming of sheet metal // CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2005. Vol. 54. No. 2. Р. 88–114. https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)60021-3

12. Fan G., Sun F., Meng X., Gao L., Tong G. Electric hot incremental forming of Ti-6Al-4V titanium sheet // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2010. Vol. 49. Р. 941–947. https://doi.org/10.1007/s00170-009-2472-2

13. Электростимулированная пластичность металлов и сплавов / В.Е. Громов, А.В. Зуев, Э.В. Козлов, В.Я. Целлермаер. М.: Нед­ ра, 1996. 289 с.

14. А.с. № 884092 СССР. Генератор мощных импульсов тока / Кузнецов В.А., Громов В.Е., Симаков В.П.; заявл. 26.03.80; опубл. 23.11.81. Бюл. № 43.

15. Кузнецов В.А., Полковников Г.Д., Громов В.Е., Кузнецова Е.С., Перегудов О.А. Генератор мощных импульсов тока с использованием реверсивного тиристорного преобразователя // Извес­ тия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 12. С. 964–971. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-12-964-971

16. Алиферов А., Лупи С. Индукционный и электроконтактный нагрев металлов. Новосибирск: изд. НГТУ, 2011. 411 с.

17. А.с. № 232995 СССР. Контактирующее устройство для подвода электрического тока / Кашин Ю.А., Кулаченков Г.П.; заявл. 21.03.1967; опубл. 18.12.1968. Бюл. № 2. 1969.

18. Кузнецов В.А., Полковников Г.Д., Кузнецова Е.С., Громов В.Е. Разработка системы автоматического управления электростимулированным волочением с использованием мощных импульсов тока // Труды восьмой всероссийской научно-практической конференции. Новокузнецк. 20 – 21 ноября 2018. Новокузнецк: СибГИУ, 2018. С. 132–138.

19. Коврев Г.С. Электроконтактный нагрев при обработке цветных металлов. М.: Металлургия, 1975. 312 с.

20. Романов Д.И. Электроконтактный нагрев металлов. М.: Машиностроение, 1981. 168 с.

21. Слухоцкий А.Е., Немков В.С., Павлов Н.А., Бамунэр А.В. Установки индукционного нагрева / Под ред. А.Е. Слухоцкого. Л.: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981. 328 с.

22. Смирнов М.А., Счастливцев В.М., Журавлёв Л.Г. Основы термической обработки стали. М.: Наука и технологии, 2002. 519 с.