I. پیشینه پروژه و مشخصات تجهیزات

این مطالعه موردی شامل یک کوره نیتریدینگ یونی کاملاً خودکار، مدل WDL-IV-30A، با استفاده از ساختار تک ایستگاهی عمودی تک زنگی-جاری است. این تجهیزات قابلیت نیتریدینگ یونی و نیتریدینگ یونی نرم آلیاژهای تیتانیوم، فولادهای آلیاژی، فولادهای قالب و فولادهای ضد زنگ را دارند.

ناحیه کار موثر بدنه کوره دارای قطر 300 میلی متر و ارتفاع 400 میلی متر با حداکثر ظرفیت بارگیری 100 کیلوگرم می باشد. محدوده دمای معمول عملیاتی 500 تا 600 درجه سانتیگراد و حداکثر دمای عملیاتی 650 درجه سانتیگراد است. درجه خلاء نهایی از 6.7 Pa بیشتر نیست، نرخ افزایش فشار از 5 Pa/h بیشتر نیست، و زمان لازم برای پمپاژ از فشار اتمسفر به خلاء نهایی بیش از 30 دقیقه نیست. افزایش دمای سطح پوسته کوره از 55 درجه سانتیگراد تجاوز نمی کند.

در نامگذاری مدل، IV نشان دهنده سیستم کنترل دیجیتال نسل چهارم، 30 نشان دهنده حداکثر جریان متوسط ​​منبع تغذیه پالس در 30 آمپر، و A نشان دهنده نوع هوشمند تمام اتوماتیک است.

II. محدودیت های فیزیکی فرآیند نیتریدینگ یونی

نیتریدینگ یونی در محیط تخلیه گاز کم فشار انجام می شود و منحنی مشخصه ولت آمپر آن غیر خطی است. نیتریدینگ یونی مواد فلزی عموماً در بخش "تخلیه غیرعادی" منحنی مشخصه ولت آمپر عمل می کند و نقطه حد بالایی G این بخش یک نقطه عطف خطرناک است. تخلیه گاز، به عنوان منبع انرژی، باری با ویژگی های مقاومت منفی ارائه می دهد. قطعه کار که به عنوان کاتد عمل می کند، شکل سطح و محیط اطراف خود را دارد (انباشته شدن قطعه کار) که هر دو بر چگالی جریان سطح تأثیر می گذارند.

این مشخصات فیزیکی مشخص می کند که منبع تغذیه یونی باید بر سه مشکل فنی غلبه کند. اولین مورد تخلیه قوس است: هنگامی که سطح قطعه کار تمیز نیست، یک لایه روغن غیر رسانا می تواند به راحتی تشکیل شود. هنگامی که بار تا حد معینی روی سطح جمع می شود، تجزیه می شود و یک تخلیه لحظه ای با جریان بالا ایجاد می کند و جرقه هایی با انرژی بالا تولید می کند. اگر به سرعت قطع نشود، باعث قطع برق و آسیب قطعه کار می شود. دوم اثر کاتد توخالی است: وقتی قطعه کار دارای سوراخ یا شکاف، شکاف بین قطعات کار یا خم‌های ناهموار است، یک حالت بحرانی همپوشانی تخلیه درخشش در فشارهای گاز خاص رخ می‌دهد. این به صورت روشنایی تخلیه ناهموار درخشش در سطح قطعه کار، مطابق با چگالی جریان سطحی ناهموار، که باعث توزیع ناهموار دما می شود، ظاهر می شود. سومین رابطه بین چگالی جریان و فشار گاز است: فشار گاز بر ضخامت درخشش تأثیر می‌گذارد، که به نوبه خود بر چگالی جریان تأثیر می‌گذارد - فشار بالاتر باعث ایجاد درخشش نازک‌تر می‌شود که برای یکنواختی دما مفید است. با این حال، هنگامی که فشار به اندازه کافی بالا باشد که تمام سطوح شیار و سوراخ را به طور یکنواخت پوشش دهد، جریان به میزان زیادی از توان مورد نیاز برای عایق کاری قطعه کار فراتر خواهد رفت.

III. منطق پاسخ فنی منبع تغذیه پالس

منبع تغذیه پالسی پیکربندی شده برای این تجهیزات دارای فرکانس خروجی 20000 هرتز، شکل موج خروجی موج مربعی، ولتاژ خروجی قابل تنظیم پیوسته از 0 تا 900 ولت بدون پرش ناگهانی بالای 200 ولت، چرخه کاری قابل تنظیم پیوسته در محدوده 10% تا متوسط جریان خروجی 85% و حداکثر جریان خروجی 830% است. زمان خاموش کردن بیش از 2 میکرو ثانیه نیست.

چرخه وظیفه به عنوان نسبت زمان به موقع به دوره پالس تعریف می شود. میانگین توان گرمایش برابر است با پیک ولتاژ ضرب در جریان و سپس ضرب در چرخه وظیفه. معرفی یک چرخه کاری قابل تنظیم در منبع تغذیه پالس به طور موثر تضاد بین توان گرمایش متوسط ​​و شرایط آستانه مورد نیاز برای پردازش قطعه کار را برطرف می کند - ماهیت این تناقض این است که برای ارضای چگالی جریان مورد نیاز برای پوشش یکنواخت درخشش، توان گرمایش ممکن است از توان مورد نیاز برای حفظ دمای قطعه کار تجاوز کند.

خاموش کردن قوس سریع با استفاده از اصل القای الکترومغناطیسی در مدار تخلیه برای تشخیص سریع سیگنال قوس الکتریکی (تقریباً بدون تاخیر)، سپس بلافاصله کنترل کلید الکترونیکی پرسرعت مدار جریان اصلی از طریق دستگاه‌های منطقی دیجیتال پرسرعت و خاموش کردن قوس در عرض 2 میکرو ثانیه انجام می‌شود.

استفاده از منبع تغذیه پالس همچنین چندین اثر فرآیندی را به همراه دارد: زمان خاموشی مطلق پالس نسبتاً کوتاه است و پس از خاموش شدن برق، غلظت ذرات باردار بلافاصله به صفر نمی رسد بلکه به آرامی کاهش می یابد. قبل از اینکه به طور قابل توجهی کاهش یابد، پالس بعدی می رسد که منجر به غلظت متوسط ​​الکترون بالاتر و افزایش نرخ یونیزاسیون می شود. اثر کاتد توخالی به طور موثری سرکوب می شود. و از آنجایی که منبع تغذیه پالس محدوده تنظیم پارامترهای فرآیند نیتریدینگ را افزایش می دهد، با هر پارامتری که به طور مستقل قابل تنظیم است، می تواند یکنواختی پوشش درخشندگی را بر روی قطعات کار با اشکال سطح پیچیده بهبود بخشد و در نتیجه کیفیت لایه نفوذ و صافی سطح را افزایش دهد.

IV. سیستم کنترل حلقه بسته سه پارامتری

سیستم کنترل از یک کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی و صفحه نمایش لمسی به عنوان مرکز کنترل اصلی استفاده می کند. PLC یک واحد سری FX3G با ظرفیت حافظه برنامه 32K مرحله، سرعت پردازش دستورالعمل اولیه 0.21 میکرو ثانیه و دو رابط ارتباطی پرسرعت (RS422 و USB) است. صفحه نمایش لمسی 12 اینچی TFT LCD با رزولوشن 1920×1080، لمسی مقاومتی چهار سیم، فرکانس اصلی 1 گیگاهرتز و نرم افزار پیکربندی McgsPro از پیش نصب شده است.

این سیستم یک مدیریت متمرکز چند وظیفه ای و معماری کاملا دیجیتالی کنترل توزیع شده را اتخاذ می کند که می تواند به طور همزمان به کنترل حلقه بسته سه پارامتر کلیدی در نیتریدینگ یونی دست یابد: دقت کنترل دما ± 1 درجه سانتی گراد، دقت کنترل فشار 1± Pa و دقت کنترل جریان 0.5 ±.

کنترل دما از کنترلرهای دیجیتال ژاپنی سری Shimaden SRS13 با تنظیم PID استفاده می کند که یک سیستم تنظیم حلقه بسته دما را با مدار کنترل دما و ترموکوپل تشکیل می دهد. کنترل فشار همچنین از کنترل‌کننده‌های دیجیتال Shimaden SRS13 استفاده می‌کند که یک سیستم تنظیم حلقه بسته فشار با مبدل فرکانس و سنسور فشار را تشکیل می‌دهد. کنترل جریان با یک دبی سنج اختصاصی برای کنترل جریان گاز پیکربندی شده است.

مسیر اجرای حلقه بسته فشار به شرح زیر است: فرستنده فشار فشار کوره را اندازه گیری می کند و یک سیگنال جریان استاندارد را به کنترل کننده دیجیتال ارسال می کند. کنترل کننده محاسبات PID را بر اساس مقدار فشار تنظیم شده و مقادیر نمونه برداری در زمان واقعی انجام می دهد، سپس یک سیگنال جریان استاندارد را به مبدل فرکانس خروجی می دهد. با تنظیم سرعت موتور پمپ خلاء، سرعت پمپاژ تنظیم می شود و در نتیجه فشار کوره را در مقدار تنظیم شده فرآیند ثابت نگه می دارد. این روش کنترلی دقت ± 1 Pa را به دست می‌آورد، در حالی که استفاده ترکیبی از پمپ خلاء و مبدل فرکانس، سایش مکانیکی بدنه پمپ را در هنگام راه‌اندازی تا حد زیادی کاهش می‌دهد و عملکرد طولانی‌مدت با سرعت پایین می‌تواند عمر مفید را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.

کنترل جریان از جریان سنج های جرمی سری HORIBA S500 ژاپنی استفاده می کند، با زمان پاسخ کمتر از 0.3 ± 2٪ ثانیه از حالت کاملا بسته تا رسیدن به نقطه تنظیم هنگام شروع کنترل و زمانی که نقطه تنظیم در طول کنترل تغییر می کند. محدوده کنترل 1 تا 100 درصد در مقیاس کامل را پوشش می‌دهد و از یک منبع تغذیه جهانی DC24V کار می‌کند و مدار برق داخلی از مدارهای ورودی و خروجی جدا شده است.

V. ویژگی های ساختاری سیستم بدنه کوره

بدنه کوره ساختاری عمودی زنگوله ای دارد که از دو قسمت تشکیل شده است: زنگ و پایه. سیلندر زنگ از ساختار دو جداره آب خنک و سیستم خنک کننده آب چند کاناله برای اطمینان از یکنواختی دمای کوره استفاده می کند. شش لایه محافظ حرارتی از جنس استنلس استیل 310S در داخل سیلندر و دو لایه محافظ حرارتی فولادی ضد زنگ در قسمت بالایی پایه کوره نصب شده است که امکان عملکرد طولانی مدت در دمای بالا و صرفه جویی قابل توجه در انرژی را فراهم می کند. لایه ای از پنبه عایق سیلیکات آلومینیوم به ضخامت 20 میلی متر در داخل لایه عایق نزدیک دیواره کوره اضافه می شود.

صفحه کاتد بر روی پایه کوره توسط سه مجموعه میکا ریخته گری با کیفیت بالا با ارتفاع قابل تنظیم پشتیبانی می شود. صفحه کاتد از ورق فولادی ضد زنگ 310S با ضخامت کمتر از 30 میلی متر ساخته شده است. قاب فیکسچر سینی مواد که با قطعه کار تماس می گیرد نیز از فولاد ضد زنگ 310S ساخته شده است. دستگاه اتصال کاتد به عنوان یک اتصال صلب طراحی شده است تا از مشکلات گرمای بیش از حد ناشی از شل شدن کوپلینگ های اتصال سریع جلوگیری کند.

دو ترموکوپل از صفحه پایین کوره وارد شده و در وسط صفحه کاتد قرار می گیرند تا سر اندازه گیری دما را شبیه سازی کنند. یکی برای کنترل دما توسط منبع تغذیه پالس گرمایش یونی استفاده می شود و دیگری به ابزار زنگ برای نظارت چند جهته دما متصل می شود. مرکز پایه دارای یک پورت استخراج خلاء و یک ورودی کاتد است که توسط فلنج‌ها، لوله‌های فولادی ضد زنگ با دیواره ضخیم و دم‌های فولادی ضد زنگ به هم متصل شده‌اند و آب‌بندی آن توسط حلقه‌های آب‌بندی فلورو لاستیک مقاوم در برابر دمای بالا ارائه می‌شود.

VI. سیستم های خلاء و گاز

سیستم خلاء برای پیش خلاء بدنه کوره و برای جایگزینی اتمسفر و تخلیه گازهای خروجی در طول فرآیند نیتریدینگ استفاده می شود. این سیستم به یک پمپ پره ای دوار 2X15 به عنوان واحد خلاء مجهز شده است. مجموعه پمپ شامل یک پمپ خلاء الکترومغناطیسی با یک دریچه باد و یک شیر پروانه ای با خلاء بالا می باشد. پمپ پره ای دوار از واحدهای سری Guangdong Xunda 2X است که در برابر خوردگی گاز فرآیندی مقاوم است، توسط مبدل فرکانس کنترل می شود و مجهز به شیر پروانه ای با خلاء بالا GI-50 به عنوان شیر کنترل اصلی است.

اندازه‌گیری خلاء از یک فرستنده فشار مطلق دیافراگمی خازنی نوع ZJ-1C استفاده می‌کند. این گیج خلاء تحت تأثیر نوع و ترکیب محیط اندازه گیری قرار نمی گیرد و اندازه گیری دقیق و قابل اعتمادی را ارائه می دهد و مقدار اندازه گیری شده توسط یک ابزار نمایش دیجیتال نمایش داده می شود و در کنترل فشار کوره شرکت می کند.

سیستم توزیع گاز برای کنترل ورود گاز فرآیند به کوره، متشکل از منبع گاز، دبی سنج و خطوط لوله مربوطه استفاده می شود. گازهای فرآیند (مانند آمونیاک) توسط کاربر تهیه می شود و از یک جریان سنج جرمی عبور می کند و سپس طبق فرمول فرآیند از طریق مخزن اختلاط اختصاصی وارد بدنه کوره می شود. خطوط لوله گاز از فولاد ضد زنگ ساخته شده است و هر خط گاز مجهز به شیر کاهش فشار، شیر قطع کن دستی، فیلتر، گیج فشار و شیر برقی است.

VII. سیستم آب خنک کننده

سیستم آب خنک کننده یک روش خنک کننده گردشی را اتخاذ می کند که منبع آب توسط برج خنک کننده و پمپ آب (مسئولیت خریدار) تامین می شود. آب خنک کننده مورد نیاز: دمای آب ورودی بیش از 31 درجه سانتیگراد، فشار آب ورودی 0.15 تا 0.25 مگاپاسکال و سرعت جریان کل 20 m³ / ساعت. هر شاخه آب خنک کننده مجهز به دریچه های ورودی و خروجی جداگانه برای تنظیم جریان جداگانه است. تمام لوله ها، شیرها و اتصالات آب خنک کننده متصل به تجهیزات از فولاد ضد زنگ ساخته شده اند.

یک گیج فشار تماس الکتریکی بر روی لوله ورودی اصلی برای هشدار در صورت فشار غیر طبیعی ورودی نصب شده است و سیستم کنترل اقدامات حفاظتی مربوطه را انجام خواهد داد. یک شیر ورودی آب پشتیبان در لوله اصلی ورودی آب نصب شده است که به لوله آب شیر کاربر متصل است - در صورت قطع برق غیر منتظره یا قطع آب، بدنه کوره را می توان با آب لوله کشی خنک کرد.

هشتم. اینترلاک ایمنی و منطق آلارم

این سیستم دارای عملکردهای هشدار دهنده برای دمای بیش از حد، فشار بیش از حد، آسیب ترموکوپل، کمبود آب و افت فاز است، با هر دو آلارم صوتی و بصری و هشدارهای رابط کنترل، اقدامات حفاظتی مربوطه مانند ممنوعیت روشن شدن، ممنوعیت گرمایش، قطع یا از سرگیری گرمایش را با توجه به مشکلات خاص انجام می دهد.

سیستم کنترل می تواند عیب های تجهیزات را تشخیص دهد و کاربران را به بررسی و تعمیر نقاط عیب مربوطه ترغیب کند. هنگامی که یک خطا رخ می دهد، سیستم به طور خودکار تمام شیرها را خاموش می کند. سیستم خلاء دارای عملکردهای شروع و توقف متوالی است، مجهز به مکانیزم کامل اینترلاک و قفل متقابل، با تمام شیرها از نوع خاموش کننده برق می باشد.