Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОГО УПРОЧНЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
1.1. Характеристика процесса комбинированного вакуум но- плазменного упрочнения 13
1.2. Технологические параметры процесса комбинированного вакуумно-плазменного упрочнения 22
1.3. Автоматизация процессов вакуумно-плазменной обработки. Состояние вопроса 29
1.4. Вакуумно-плазменная установка как объект автоматического управления 36
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЗНАЧИМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОГО ВАКУУМНО- ПЛАЗМЕННОГО УПРОЧНЕНИЯ 42
2.1. Основные трудности при реализации автоматического управления процессом комбинированного вакуумно-плазменного упрочнения режущего инструмента из быстрорежущей стали 42
2.2. Контроль температуры подложки 46
2.3. Состав газовой смеси 50
2.4. Контроль состояния катодов дуговых испарителей 55
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ, ПОЗВОЛЯЮЩИЕ ПОВЫСИТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ КОМБИНИРОВАННОГО ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕЫНОГО УПРОЧНЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА 58
3.1. Метод автоматического контроля и управления температурой упрочняемого режущего инструмента 58
3.2. Метод автоматического контроля и управления составом, газовой смеси в
камере вакуумно-плазменной установки 64
3.3. Метод автоматического контроля состояния катода дугового испарителя 75
ГЛАВА 4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОГО ВАКУУМНО-
ПЛАЗМЕННОГО УПРОЧНЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА 81
4.1. Система автоматического управления температурой упрочняемого инструмента 81
4.2. Система автоматического управления составом и давлением газовой среды в
вакуумной камере вакуумно-плазменной установки 83
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 91
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 95
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 97
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 100
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПРОГРАММА СИСТЕМЫ
ГАЗОНАПУСКА
- Характеристика процесса комбинированного вакуум но- плазменного упрочнения
- Основные трудности при реализации автоматического управления процессом комбинированного вакуумно-плазменного упрочнения режущего инструмента из быстрорежущей стали
- Метод автоматического контроля и управления температурой упрочняемого режущего инструмента
- Система автоматического управления температурой упрочняемого инструмента
- ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Введение к работе
Современное автоматизированное механобрабатывающее
производство все в большей степени использует
ресурсосберегающие, экологически чистые технологии,
позволяющие не только увеличивать производительность
обработки резанием, но и обеспечивать высокую гиб коси.
производственных процес сов [2,5-7,32,72]. Тенденции развития
механообрабатывающего производства связаны с отказом от
применения высокотоксичных жидких, газовых и тверді)] х
технологических сред, способствующих загрязнению
окружающей среды. Отказ от применения технологических сред
в связи с экологическими проблемами приводит к снижению
интенсивности процессов обработки. Между тем применение
дорогостоящего автоматизированного станочного оборудования
требует использования интенсивных режимов обработки, что
связано с необходимостью самоокупаемости такого
оборудования. Поэтому применение в автоматизированном
механообрабатывающем производстве высоконадежного
режущего инструмента, способного интенсифицировать резание
даже при невозможности использования технологических
смазочно-охлаждающих сред, определяет способность
оборудования для мехобработки функционировать при
оптимальных экономических показателях[3,5,6,30-33].
Наиболее эффективным путем повышения надежное їй
режущего инструмента является использование
инструментальных материалов с модифицированными я
поверхностными свойствами, формируемыми методами ионпо-пл аз мен ной обработки [1,4,10,1 1,22].
Электродуговые испарительные устройства[ 1,1 2,13,34-63 |
-.занимают устойчивую самостоятельную позицию в числе других
традиционных средств, осуществляющих вакуумную
металлизацию изделий. К достоинствам электродуговых испарительных устройств относятся:
простота конструкции;
безопасность обслуживания;
простота регулирования процесса испарения;
относительно небольшие затраты энергии на единицу массы испаренного металла;
возможность испарения любых металлов без каких-либо конструктивных изменений;
нахождение испаряемого металла в состоянии плазмы, что позволяет широко регулировать энергию частиц испаряемого металла, влияя тем самым на процесс конденсации.
Дуговые испарительные устройства применяются для осаждения металлов, сплавов и химических соединений (нитридов, карбидов, оксидов) для получения износостойких, декоративных и др. покрытий высокого качества, а также проведения комплексной (комбинированной) обработки.
Установки для комбинированной вакуумно-плазменной обработки электродуговым методом [8,27-29,83,88] широко используются в промышленности для упрочнения (повышения износостойкости) режущего инструмента из быстрорежущей сіали. Эффект упрочнения инструмента достигается за счсі создании на его поверхности износостойкой структуры,
состоящей из азотированного подслоя с возрастающей к поверхности микротвердостью и твердого керамического покрытия.
Технология и оборудование для комбинированной
обработки режущего инструмента в вакууме
позволяет^,25,26,81-83]:
* проводить эффективную очистку изделий ионами газа
при режимах, исключающих образование дуговых
пробоев и эрозии поверхности;
проводить процесс нагрева и химико-термической
обработки при положительном, отрицательном или
плавающем потенциале, что позволяет регулировать
процесс в широких пределах;
Характеристика процесса комбинированного вакуум но- плазменного упрочнения
Процесс вакуумно-плазменной обработки представляє! собой взаимодействие низкотемпературной плазмы с поверхностью материалов в процессах конденсации покрытий, которое осуществляется в результате сложных, взаимосвязанных процессов энергетического, массового и зарядового обменов частиц плазмы с атомами конденсируемого покрытия. Результатом такого взаимодействия, кроме адсорбции, является десорбция атомов и молекул с поверхности, распыление и испарение частиц покрытия, изменение структуры и фазового состоя ния[1,7,41,50,56,74]. При плазменной обработке происходит взаимодействие материалов с активными частицами плазмы, имеющими высокую кинетическую и потенциальную энергию. При физическом взаимодействии частицы обладаю ! в основном кинетической энергией, которая может превышать тепловую на несколько порядков величин[50-56]. Заряженные частицы имеют также высокую потенциальную - энергию рекомбинации. При химическом взаимодействии активные частицы имеют высокую потенциальную энергию, определяемую наличием ненасыщенных химических связей. Взаимодействие таких частиц с напыляемым материалом ведет к формированию химических соединений.
В реальных процессах напыления покрытий можно выделить следующие разновидности физического взаимодействия низкотемпературной плазмы с конденсируемым покрытием: бомбардировка поверхности ионами инертных газон; бомбардировка поверхности электронами плазмы; дезактивация возбужденных атомов инертного газа на поверхности; воздействие теплового потока на поверхность; воздействие различных видов излучения.
Ионы, попадая в слой отрицательного смещения. приобретают дополнительную энергию (от 100 до 1000 эВ), что в пол не достаточно для модификации поверхностного слоя. Ионная бомбардировка поверхности тонких пленок приводи] к сильному возбуждению решетки, эквивалентному локальному повышению температуры [4,11,23,24]. За счет локального оплавления и распыления поверхность становится однородной. При этом происходит «залечивание» микропор, микротрещин и миграция атомов примеси: часть из них выходит на поверхность и испаряется, другая — вступает в реакции на дислокациях, третья - объединяется в более крупные агрегаты.
Основные трудности при реализации автоматического управления процессом комбинированного вакуумно-плазменного упрочнения режущего инструмента из быстрорежущей стали
Трудностью при реализации автоматического управления процессом комбинированного вакуумно-плазменйого упрочнения режущего инструмента из быстрорежущей стали является наличие нескольких технологических параметров, существенным образом влияющих на износостойкость упрочненного инструмента, но требующих при управлении либо участия опытного человека-оператора, либо применения сложных и дорогостоящих технических средств. Такими параметрами являются:
температура поверхности упрочняемого инструмента;
процентный состав газовой смеси.
Основной проблемой при автоматическом управлении процессом вакуумно-плазмен ной обработки является контроль температуры изделия, который нужен для гибкого изменения выдержек времени при включении и выключении подсистем установки, а также для выбора системой управления правильных значений текущих технологических параметров.
Различные стадии процесса комбинированного вакуумно плазменного упрочнения сопровождаются разогревом инструмента, который существенно зависит от геометрии инструмента и от его расположения в камере установки. Для большинства процессов упрочнения инструмента из быстрорежущей стали оптимальная температура лежит в диапазоне 380...550 "С и должна быть выдержана с погрешностью не более 10 СС. Учитывая, что инструмент нагревается весьма неравномерно, а скорость роста температуры поверхности инструмента может достигать 50...70 С/мии, необходим постоянный контроль температуры.
Полная автоматизация регулирования температуры в процессе нанесения покрытия остаётся до сих пор нерешенной задачей. Проблема в том, что при ваку умно-плазменной обработке подложка нагревается неравномерно, т.е. температура р. различных точках поверхности разная. На данный момент управление процессом по температуре невозможно без участия оператора, из-за необходимости измерения постоянно изменяющейся температуры в различных точках.
Метод автоматического контроля и управления температурой упрочняемого режущего инструмента
Автоматический контроль температуры упрочняемого инструмента возможен, если работа системы управления и пирометра организована таким образом, что температура измеряется только в те моменты времени, когда в фокусе пирометра появляется требуемый участок изделия. В таком случае оператор только одинраз - в начале технологического процесса - должен настроить фокус пирометра на этот участок. Должны быть обеспечены следующие условия:
механизм, циклически перемещающий изделия в камере, должен быть оснащен датчиком положения, допускающим максимальную погрешность измерения положения не больше радиуса фокусного пятна пирометра;
привод механизма обеспечивает плавные управляемые перемещения механизма, для того чтобы оператор мог настроить фокус пирометр на интересующие его участки;
оснастка, на которой закреплены изделия, не допускает их свободного перемещения относительно механизма; время измерения температуры пирометром достаточно мало, и пирометр успевает произвести измерение, пока его фокусное пятно попадает на требуемый участок изделия.
Для проверки возможности автоматического пирометрического контроля температуры планетарный механизм стола установки «СТАНКИН-АПП-3» был оснащен приводом с позиционным управлением.
Привод позволяет точное (с максимальной погрешностью 0,005 рад) позиционирование входного вала планетарного механизма по закону с разгоном и торможением по S-кривой (рис. 15).
Привод состоит из трехфазного электродвигателя модели 5ДВМ115Ь производства ОАО «ЧЭАЗ» (Чебоксары) с модулем управления UCS-MP1 разработки ЦФТИ МГТУ «Станкин» и силовым преобразователем ПР-4 производства ООО «Станкоцентр» (Москва) (рис. 16).
Система автоматического управления температурой упрочняемого инструмента
Для поддержания заданных значений температуры в различных режимах вакуумно-плазменного упрочнения был применен известный метод ПИД-регулирования [79,80). Входным параметром является напряжение смещения, изменение которого приводит к изменениям ионного тока через обрабатываемые изделия, следовательно, - к изменению их температуры.
Обратная связь по температуре обеспечивалась оптическим пирометром модели М90 фирмы Micron (США), данные с к-оторого считывались компьютером системы управления установкой «СТАШШН-АПП-3» через серийный интерфейс RS-232 со скоростью обмена ] 15,2 кБит/с.
Для позиционирования планетарного механизма таким образом, чтобы фокус пирометра попадал на желаемый участок обрабатываемого изделия с допустимой погрешностью, применен серворегулятор UCS-MP-1. Коррекция угла поворота входного вала планетарного механизма в зависимости от расчетного изменения передаточного отношения вследствие нагрева планетарного механизма (см. глава 3, п. 3.1) производилась по интегралу квадрата ионного тока.
Экспериментальное подтверждение эффективности разработанных методов и систем автоматического управления
В общем случае, при экстремальной зависимости износостойкости упрочненного инструмента преимуществом автоматического управления является то, что во время технологического процесса комбинированного вакуумно-плазменного упрочнения значение технологических параметров поддерживается с меньшими отклонениями, чем при ручном управлении.
Износ за фиксированное время
Эффективность истоматическоро управления технологическим параметрам прн экстремальной зависимости износа от параметра
На рис. 24 показано влияние погрешности некоторого технологического параметра (АРЙ,АРГ - погрешности параметра при автоматическом и при ручном управлении, AJa, AJf 92 разброс значений износа упрочненного инструмента, испытываемого фиксированное время при определенных условиях резания) на износостойкость упрочненного инструмента. Учитывая, что износостойкость режущего инструмента характеризуется среднестатистическим значением износа при определенных условиях, можно однозначно говорить о повышении износостойкости упрочненного инструмента при автоматическом управлении.
Экспериментальное подтверждение влияния разработанных методов автоматического управления на повышение стойкости режущего инструмента из быстрорежущей стали проводилось па примере сверл малого диаметра из стали Р6М5..
Комбинированное вакуумно-плазменное упрочнение осуществлялось на установке «СТАНКИН-АПП-2» (рис. 25):
1-й вариант - без контроля температуры. с регулированием состава газовой среды по расходам РРГ;
2-й вариант - с автоматическим пирометрическим контролем температуры, с регулированием состава газовой среды по парциальным давлениям, рассчитываемым по методу, предложенному в работе.
