材料成形工艺与控制(李云涛)

  材料成形技术一般包括铸造成形、锻压成形、焊接成形和非金属材料成形等工艺技术。材料成形加工是制造业的重要组成部分，据不完全统计，全世界75%的钢材经塑性加工，45%的金属结构用焊接成形。我国在金属铸造、焊接、塑模、塑料加工等行业就业的人员已经超过100万人。
  随着现代工业的发展，对产品性能的要求越来越高，某种材料的应用不仅取决于材料本身的各种性能，还取决于它的可加工成形性能，因此材料成形学科的任务不只是要研究如何使工件获得必要的几何尺寸，而更重要的是要研究如何通过过程控制获得质量优良的工件。通过材料成形过程的自动控制可以提高设备使用效率；提高工序质量，利用有限的资源，制造质量好、性能稳定、价格合理的产品；在人力不能胜任的复杂工作环境中或者人不能靠近的场合中实现自动操作。
  在实际生产中，材料成形与工程控制已经成为从材料到部件的重要过程之一，它涉及国民生产的各个领域。尽管材料成形行业一直伴随着高新技术的发展不断前进，我国材料成形与控制技术目前仍有待进一步提高，体现在过程控制自动化的三大基本要素上，即工艺数学模型与控制数学模型的完善、与此相适应的控制系统以及可靠性高的检测器和计算机控制系统的发展。
  掌握材料成形过程与自动控制理论及技术已经成为从事材料加工的工程师、工程技术人员所必须具备的一项基本技能。目前，迫切需要一本教材系统全面地介绍各种材料成形过程及自动控制的基本理论与应用技术。
  本教材为适应专业教学改革的新方向，有机地将材料成形与控制工程专业课程整合起来，形成一门逻辑性强、内容广泛而新颖、重点突出的课程。根据近年来材料成形与控制工程领域技术和理论的发展动态并结合教学改革的需求形势，在充分进行市场调研基础上计划编撰的新版教材，其可作为高等院校材料成型与控制工程专业（铸造、焊接、锻压、模具等方向）的教师用书、学生教材或相关工程师、工程技术人员参考书使用。
  本教材涵盖了材料成形原理概述、自动控制基础、铸造过程的自动控制、焊接过程的自动控制、锻压过程自动控制、模具成形过程自动控制、轧制成形过程自动控制基本内容。在自动控制理论的基础上，将铸造、焊接、锻压、模具、轧制材料成形过程共性部分进行有机地整合，分别对其成形过程控制有选择性地重点论述，并解析一定的成形过程控制应用实例，有机地补充一些国内外材料成形控制的发展前沿。
  本教材由天津理工大学李云涛主编。编写人员分工：第4、7章由天津理工大学李云涛编写，并负责全书统稿；第1、3、5章由天津理工大学王志华编写；第6章由河北工业大学李海鹏编写；第2章由天津大学杨立军编写。
  在编写的过程中，得到了许多同志的帮助和支持，在此表示衷心的感谢，并向本书中所引用文献的作者深表谢意。
  由于作者水平有限，书中难免有不当之处，敬请广大读者批评指正。
编者
2010年6月

  本教材共分为7章，主要内容包括：材料成形原理概述、自动控制基础、铸造过程的自动控制、焊接过程的自动控制、锻压过程的自动控制、模具成形过程的自动控制、轧制成形过程的自动控制。在编写过程中，注重理论分析与实际应用相结合：既有一定的理论深度，又注重深浅适度。在阐述材料成形原理、过程的基础上，分别对其成形过程控制有选择性地重点论述，并解析一定的成形过程控制应用实例，有机地补充一些国内外材料成形控制的发展前沿，从而将会给新版的教材带来一定的创新性，适合作为材料成型与控制工程专业应用型本科、专科学生学习教材，也可作为相关专业学生和工程师、技术人员的参考用书。通过对该教材的学习，可对材料成形过程自动控制有较深入和系统的理解，为以后的学习和工作奠定一定的理论和实践基础。

第1章材料成形原理概述1
11液态成形1
111概述1
112铸造金属熔炼2
113液态成形方法3
12固态塑性成形7
121概述7
122固态金属塑性成形的方法8
13固态材料的连接成形13
131概述13
132金属材料焊接13
133粘接17
14粉末压制和常用复合材料成形18
141概述18
142粉末冶金工艺的基本工序19
143常用粉末冶金材料简介21
15非金属材料成形21
151概述21
152高分子材料成形22
153陶瓷材料成形26
154常用复合材料成形28
16材料模拟成形发展概况30
161金属液态成形计算机模拟技术30
162塑性成形计算机模拟31
163焊接成形计算机模拟31
164模具加工计算机模拟33
习题与思考题36
第2章自动控制基础37
21自动控制基本概念37
22自动控制系统的类型39
221自动控制系统的分类方法39
222开环控制和闭环控制41
23材料成形过程自动控制系统的特性44
231自动控制系统的基本特性44
232材料成形过程自动控制系统的特点45
24材料成形过程自动控制的常用控制策略简介46
习题与思考题47
第3章铸造过程的自动控制48
31冲天炉熔炼过程自动控制48
311冲天炉配料的定量控制48
312送风控制部分50
313加料控制部分50
314冲天炉其他参数控制52
32连铸机自动控制54
321连铸机工艺原理54
322连铸机自动控制系统54
33真空差压铸造自动控制61
331真空差压铸造工作原理61
332真空差压铸造控制系统61
34低压铸造自动控制64
341低压铸造工作原理64
342低压铸造控制系统65
35热室压铸自动控制66
351热室压铸工作原理66
352热室压铸控制系统68
36铅锭浇注自动控制68
361系统性能指标69
362系统组成69
习题与思考题72
第4章焊接过程的自动控制73
41焊接过程自动控制概述73
411焊接概念简述73
412焊接生产的自动控制73
42电弧焊自动控制基础74
421电弧焊的程序自动控制74
422电弧焊的自动调节系统75
43埋弧焊设备及控制75
431埋弧焊设备分类75
432埋弧焊设备概述76
44钨极氩弧焊（TIG）设备及控制85
441TIG焊设备的组成85
442程序控制系统87
443WSJ500型手工交流TIG焊机89
444脉冲GTAW过程的自动控制90
45熔化极氩弧焊（MIG）的设备及控制93
451电弧自身调节系统94
452MIG焊设备95
453控制系统97
454NB400型半自动熔化极氩弧焊机97
46CO2气体保护电弧焊设备及控制99
461CO2气体保护电弧焊设备的组成99
462NBC7250（IGBT）型逆变式CO2焊机105
47真空钎焊炉的自动控制105
471真空钎焊炉105
472双室真空钎焊炉控制系统107
48弧焊机器人108
481焊接机器人概述108
482弧焊机器人概述108
483示教再现型弧焊机器人111
484智能型弧焊机器人112
485基于知识库的焊接工艺系统设计113
49管道全位置焊接计算机控制系统设计114
491控制系统方案的制定114
492全位置脉冲TIG焊弧压传感器弧长调节117
493焊缝横向跟踪控制系统组成118
494多微处理器在管道焊接自动控制系统中的应用118
习题与思考题121
第5章锻压过程自动控制122
51自由锻造自动控制122
511自由锻造加热工艺的控制122
512自由锻造过程的控制124
52热模锻自动控制127
521热模锻压力机的控制原理127
522热模锻压力机的自动控制128
53快速锻造压力机自动控制130
54锻压过程自动控制实例分析131
541生产工艺过程132
542控制方案132
543设备选择134
习题与思考题134
第6章模具成形过程自动控制135
61冲压成形设备的结构和工作原理135
611机械压力机的结构组成和工作原理135
612液压压力机的结构组成和工作原理138
62冲压成形设备的控制技术142
621冲压成形设备的电力拖动控制142
622冲压成形设备的微机控制146
63冲压成形设备自动控制实例分析150
631曲柄压力机的自动控制150
632液压折弯机的自动控制154
64塑压成形过程自动控制157
641塑压成形设备的结构和工作原理158
642塑压成形设备的控制技术159
643塑压成形设备自动控制实例分析165
65挤压成形过程的自动控制170
651挤压成形设备的结构和工作原理170
652挤压成形设备的控制技术173
653液压挤压机的自动控制179
66模具加工过程的自动控制181
661数控加工机床的自动控制181
662快速成形加工过程的自动控制184
663电火花线切割加工的自动控制188
习题与思考题190
第7章轧制成形过程自动控制191
71轧制成形过程自动化概述191
711轧制成形过程自动化的基本概念191
712轧制自动控制技术的发展现状191
72轧制过程自动化控制的基本形式191
721自动控制系统的基本要求191
722自动控制系统的基本形式192
73轧制成形的计算机控制系统194
731数据采集系统（DAS）194
732操作指导系统195
733直接数字控制系统195
734监督控制系统195
74位置自动控制196
741位置自动控制概念196
742位置自动控制系统的基本组成196
743位置控制的基本要求和控制方式197
744位置控制系统程序的组成198
745存储程序控制的位置自动控制（SPCAPC）199
746具有可编程序控制器的位置自动控制(PLCAPC)简介201
75厚度自动控制202
751厚度自动控制概述202
752板带钢厚度波动的原因及其变化规律202
753厚度自动控制原理204
754轧制力AGC(PAGC)控制系统基本原理212
76带钢板形自动控制216
761板形自动控制概述216
762带钢板形的影响因素217
763带钢板形的检测217
764带钢板形控制系统219
765人工智能法220
766板形自动控制的实现221
7672030mm带钢冷连轧机板形控制系统实例分析222
77连轧时张力的自动控制228
771张力概述228
772轧制过程中张力的作用及计算228
773连轧过程中机架之间的张力230
774控制张力的基本原理233
775热连轧无张力自动控制235
习题与思考题243
参考文献244