Главная Контакты Добавить в избранное Авторы Вопросы и ответы
,

УДК 004.032.26:65.01

ТРЕХКОНТУРНАЯ АСУ НАНЕСЕНИЕМ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ НА РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

Тонконогий В.М.

Введение

В современном машиностроительном производстве возрастание производительности труда реализуется за счет резкого повышения скоростей резания и требований к служебным свойствам применяемого инструмента. Одним из путей повышения характеристик используемых инструментов является нанесение на их рабочие поверхности износостойких покрытий со специальными свойствами [1]. Мировая практика показывает, что для эффективного использования режущего инструмента не менее 80 % его объема должно выпускаться с различными износостойкими покрытиями, которые позволяют резко повысить ресурс инструмента и обеспечить высокое качество изготовляемых деталей. Одним из наиболее прогрессивных и универсальных методов нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент является метод конденсации вещества в вакууме из плазменной фазы с ионной бомбардировкой – метод КИБ, разработанный в Украине в 1975 году [2].

Анализ последних исследований и публикаций

Метод КИБ, являясь одним из наиболее эффективных методов повышения работоспособности режущих инструментов, характеризуется и достаточно неэффективным управлением, что приводит к значительному количеству брака при нанесении покрытия. Это обусловлено, в первую очередь, отсутствием достоверных результатов идентификации параметров технологии, выполненной специально для потребностей управления, адекватных математических моделей отдельных технологических процессов, входящих в технологию КИБ, достоверных сведений о глубинных взаимосвязях между отдельными физическими явлениями, определяющими, в конечном итоге, качество готовой продукции [3]. Многофакторность технологии КИБ порождает значительные проблемы при моделировании, а попытки ее декомпозиции на отдельные технологические процессы зачастую создают недопустимую нагрузку на ресурсные и временные параметры системы управления. Проблема усложняется тем, что основные параметры режущего инструмента с ионно-плазменным покрытием невозможно контролировать в процессе нанесения последнего, что делает систему управления такой технологией практически разомкнутой. Такая ситуация приводит к тому, что в реальном производстве в управлении технологией КИБ слишком большую роль играет человеческий фактор со всеми вытекающими отсюда недостатками [4].

Поэтому была поставлена задача повышения качества режущего инструмента и эффективности его производства путем разработки и внедрения автоматизированной системы управления технологией нанесения ионно-плазменных покрытий.

Построение АСУ технологией КИБ

При нанесении покрытий на быстрорежущий инструмент или другие виды изделий, служебные свойства которых ограничивают их нагрев, возможность варьирования технологических параметров синтеза ограничивается необходимостью поддержания узкого диапазона температур нагревания подложки при ионной очистке и осаждении покрытий (500 – 550 °С для быстрорежущей стали). Такое условие обеспечивает, с одной стороны, надежное сцепление покрытия с подложкой, а с другой, – предохраняет ее от термического разупрочнения. Исходя из этого, технологический процесс нанесения износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент рекомендуется осуществлять в условиях, которые предусматривают необходимость поддержания оптимальной температуры на протяжении всего технологического цикла.

Исследованиями влияния температуры подложки при ионной очистке (бомбардировке) и в начале осаждения на среднюю стойкость твердосплавных пластин с покрытием показано, что максимальной стойкости отвечает температура приблизительно 800 °С. При более низких температурах наблюдается тенденция к отслаиванию покрытия, а при температуре выше оптимальной (1000 – 1200 °С) существует тенденция к охрупчиванию и разрушению покрытия. Эти эксперименты показывают, что нагрев подложки до температуры приблизительно 800 °С не приводит к десорбции (повторному испарению) на потенциальных «буграх» рельефа, которые мигрируют по поверхности атомов, на начальном этапе формирования пленки.

Оптимальные температурные условия нанесения покрытий на быстрорежущий инструмент представлены на рис. 1 [5]. На этапе І ионной очистки и термоактивации поверхности подложки важнейшими параметрами процесса являются температура и время достижения этой температуры. Температура ограничена значениями 540 – 850 °С, а время очистки и термоактивации принимают в пределах 5 – 10 мин, что обусловлено, с одной стороны, необходимостью обеспечения качественной очистки, а с другой, – необходимостью сохранения радиусов округления режущих кромок.

На этапе II – осаждение покрытия – оптимальными являются условия поддержания температуры подложки на уровне 525 ±10 °С. При такой температуре обеспечивается формирование покрытия с наилучшей структурой.

На этапе III – охлаждение инструмента с покрытием производят в камере установки «Булат» до температуры 150 – 190 °С, что предотвращает окисление.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1 Оптимальные температурные условия нанесения покрытий на быстрорежущий инструмент методом КИБ: 1 – непрерывный нагрев; 2 – циклический нагрев

Тепловыми условиями осаждения и формирования износостойкого покрытия можно управлять такими способами: изменением величины напряжения на подложке и силы тока в цепи испарителя; кратковременным подключением высокого напряжения или отключением испарителя; подогревом (охлаждением) с помощью дополнительных источников тепла (охлаждения); применением технологической оснастки для крепления инструмента с низкой (высокой) теплоемкостью.

Охлаждение инструмента является завершающим этапом технологического цикла. Оно осуществляется в камере установки до температуры 150 – 190 °С, после чего камера открывается, и инструмент остывает на воздухе.

Наиболее сложноуправляемым фактором, который зависит от большинства режимных параметров технологического цикла, а также массы и габаритных размеров инструментов, средств их крепления в рабочих приспособлениях и перемещения относительно испарителя, является температура подложки, как на этапе ионной очистки, так и в процессе нанесения покрытия.

Рассмотрим схему взаимодействия основных учитываемых параметров, составляющих главную ветвь жизненного цикла режущего инструмента с покрытием (рис. 2). Эти параметры сгруппированы по функциональному назначению: вектор параметров управления U, вектор параметров качества инструмента К, оцениваемых до начала эксплуатации (не связанных с процессом резания), и генеральную целевую функцию жизненного цикла инструмента Ц. На рис. 1 также обозначены «прямые» переходные функции жизненного цикла К = f1(U) и Ц = f2(K) и «обратные» переходные функции управления, соответственно, U = f1-1(К) и K = f2-1(Ц).

 

Рис. 2 Схема взаимодействия основных учитываемых параметров, составляющих главную ветвь жизненного цикла режущего инструмента

 

Как следует из анализа опыта изготовления и эксплуатации режущего инструмента с вакуумным ионно-плазменным покрытием, к вектору управления U = {Uд, Uпод, М, τн} можно отнести следующие параметры [5]:

Uд(τ) – напряжение на испарителе;

Uпод(τ) – напряжение на подложке;

М(τ) – массовый расход газа реагента;

τн – продолжительность непосредственно процесса нанесения покрытия;

к вектору качества К = {δ, Нм, D, σсц} – параметры:

δ – толщина покрытия;

Нм – твердость покрытия;

D – дефектность покрытия;

σсц – прочность сцепления покрытия с подложкой.

Наконец, генеральная целевая функция жизненного цикла инструмента Ц представляет собой показатель его надежности – наработку на отказ.

Стратегия управления, исходящая из реального разбиения жизненного цикла инструмента на два периода: изготовление и эксплуатацию, заключается в том, что попадание параметров вектора К в некий «параллелограмм качества» в пространстве его состояний должно гарантировать приемлемое значение целевой функции Ц.

Для построения АСУ изготовлением инструмента с ионно-плазменным покрытием необходимо было установить зависимости К = f1(U), Ц = f2(K), U = f1-1(К) и K = f2-1(Ц). Однако экспериментальная идентификация этих зависимостей крайне затруднена наличием многих внешних возмущающих процесс факторов, а эффективное замкнутое управление с их помощью невозможно из-за того, что информация о параметрах качества К становится доступной только после завершения всех процессов нанесения и разгерметизации камеры.

Поэтому к технологии КИБ был применен метод декомпозиции – композиции [6], который позволил, с учетом объединенного технологического процесса (ОТП), содержащегося в технологии, выявить в зависимости К = f1(U) дополнительный «внутренний» вектор параметров процесса V = {T, P}, состоящий из следующих компонентов:

Т(τ) – температура подложки;

Р(τ) – давление в вакуумной камере,

а в зависимости Ц = f2(K) – дополнительный «внутренний» вектор параметров процесса Е = {D, ΔIя}, состоящий из следующих компонентов:

D – дефектность покрытия;

ΔIя – изменение тока якоря двигателя привода станка, являющееся косвенной характеристикой износа инструмента.

Важной, решающей отличительной особенностью параметров V является то, что они доступны измерению и изменению на протяжении всего технологического процесса нанесения покрытия, а параметров Е – измерению на протяжении всего периода эксплуатации инструмента, что позволило, в свою очередь, организовать управление жизненным циклом инструмента с покрытием по схеме, представленной на рис. 3.

 

Рис. 3 Схема трехконтурного управления жизненным циклом режущего инструмента с вакуумным ионно-плазменным покрытием

 

Такая схема позволяет сочетать в себе преимущества оптимального (в смысле конечного результата) [7] и гарантийного (в смысле «попадания» в параллелограмм качества) [8] управлений.

На рисунке показаны три контура управления. Первый из них реализует программное управление параметрами вектора V = {T, P} с помощью параметров вектора U = {Uд, Uпод, М, τн}.

Второй осуществляет настройку задатчика программ первого контура таким образом, чтобы вектор качества К = {δ, Нм, D, σсц} оказывался в конце каждого цикла процесса в пределах параллелограмма качества. И, наконец, третий осуществляет коррекцию параллелограмма качества таким образом, чтобы соответствующий ему инструмент проявлял в дальнейшем эксплуатационные свойства, характеризуемые вектором Е, гарантирующие в конкретных условиях эксплуатации заданные параметры надежности Ц.

Поскольку в первом контуре осуществляется автоматическое регулирование по отклонению, выполнена идентификация моделей второго контура (идентификация моделей процесса нанесения) и третьего контура (идентификация моделей процессов эксплуатации).

Выводы

Построенная по описанному принципу трехконтурная система управления процессом нанесения ионно-плазменных износостойких покрытий позволила значительно сократить количество брака, причем наиболее опасный брак по превышению заданной температуры, который приводит к выходу из строя не только покрытия, но и инструмента в целом, удалось свести практически к нулю. Опыт эксплуатации разработанной АСУ в фирме «Викта» (г. Одесса) показал ее эффективность не только при нанесении покрытий на различные виды режущих инструментов, но и при нанесении декоративных покрытий, когда целевой функцией в третьем контуре является не наработка на отказ, а стабильность цветовой гаммы покрытия.

 

In work the three-circuit ACS by drawing of an ionic - plasma covering on cutting tool which includes the first contour - automatic program management in intermediate parameters of the process, the second contour - management of the program of the first contour, and the third - management of a parallelogram of quality is considered according to process of operation of the tool.

 

1.                   Робочі процеси високих технологій у машинобудуванні / А.І. Грабченко, М.В. Верезуб, Ю.М. Внуков та ін. // Житомір: ЖДТУ, 2003. – 451 c.

2.                   Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение, 1993. – 335 с.

3.                   Тонконогий В.М. Управління процесом нанесення зносостійких тонкоплівкових покрить на різальний інструмент // Вісник Житомирського державного технологічного університету. – 2003. – Вип. 2(26). – Т. 2. – С. 179 – 183.

4.                   Тонконогий В.М., Савельєва О.С. Автоматизація управління технологією нанесення іонно-плазмових покрить на різальний інструмент // Збірник наукових праць НТУ «ХПІ» «Високі технології в машинобудуванні». – 2004. – № 1. – С. 162 – 167.

5.                   Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент / Ю.Н. Внуков, А.А. Марков, Л.В. Лаврова и др. – К.: Тэхника, 1992. – 143 с.

6.                   Тонконогий В.М. Управление объединенными технологическими процессами // Труды Одесского политехнического университета. – 2004. – Вып. 1(21). – С. 96 – 101.

7.                   Рей У. Методы управления технологическими процессами. – М.: Мир, 1983. – 368 с.

8.                   Хобін В.А. Системи гарантуючого управління технологічними агрегатами: основи теорії, практика застосування. – Автореферат дис. докт. техн. наук: 05.13.07. – Одеса: ОНПУ, 2003. – 38 с.

 





Ответы на вопросы [_Задать вопроос_]

Современные технические средства, комплексы и системы

Краснов В.А., Прохорович А.В., Шутов С.В., Деменский А.Н. Анализ флуктуаций размера растущего кристалла (на примере легированных монокристаллов кремния, вытягиваемых из расплава по методу Чохральского)

Завальнюк И.П. Управление высокопроизводительной экструзией неоднородных материалов

Долина В.Г., Писаренко А.В. Синтез складної багатовимірної системи управління випарною станцією на основі рефрактометричних вимірювань

Стопакевич А.А., Тодорцев Ю.К. Анализ современного состояния систем управления брагоректификационными установками спиртового производства

Поливода В.В. Современные компьютерные технологии в АСУ на хлебоприёмном предприятии

Ладанюк А.П., Українець А.І., Кишенько В.Д. Управління автоматизованими технологічними комплексами харчових виробництв на основі сценарного підходу

Ковриго Ю.М., Фоменко Б.В. Врахування обмежень для підвищення якості функціонування систем регулювання енергоблоків ТЕС і АЕС

Евдокимов А.В., Китаев А.В., Агбомассу В.Л. Исследование причин, определяющих вращение рамки с током в магнитном поле после воздействия на нее внешнего импульса

Аппазов Э.С. Применение твердых растворов InGaN в фотовольтаике

Кузнєцов Ю.М., Дмитрієв Д.О. Програмно математичний апарат керування виконавчим органом багатокоординатних верстатів нових компоновок

Черевко О.И., Ефремов Ю.И., Одарченко А.М., Одарченко Д.М, Агафонова Ю.Ю. Теоретическое обоснование перспективного биконического резонатора для СВЧ-устройств при переработке растительного сырья

Хобин В.А. Бабиков А.Ю. Системы экстремального управления молотковыми дробилками с функцией гарантированного соблюдения тепловых режимов их электродвигателей.

Стадниченко В.Н. Исследование влияния изменения эксплуатационных нагрузок на свойства металлокерамических слоёв полученных с использованием трибовосстанавливающих составов

Ісаєв Е.А., Наговський Д.А., Чернецька І.Е. До вибору факторів, що характеризують окомкування тонкоподрібнених залізорудних матеріалів

Федоровский К.Ю., Лунев А.А. Теплоотдача погружного пластинчатого теплообменника системы охлаждения энергоустановок морских технических средств

Федоровский К.Ю., Владецкий Д.О. Интенсификация теплоотвода замкнутых систем охлаждения энергоустановок морских технических средств.

Пономарьов Я.Ю., Ладанюк А.П., Іващук В.В. Досвід використання нечітких регуляторів в системі атоматизації випарної установки.

Левченко А.А., Кравчук О.И. Эквивалентный макромодуль процесса технического обслуживания радиотехнических средств.

Іволгіна Т.О. Енергетичний підхід до аналізу стійкості руху вимірювальної головки координатно-вимірювальної машини

Ладанюк А.П., Кишенько В.Д., Ладанюк О.А. Системна задача управління біотехнологічними процесами.

Тернова Т.І. Алгоритм оцінювання деформацій рапорту періодичних об'єктів

Рожков С.А., Федотова О.Н. Алгоритм обучения системы распознавания автоматической системы разбраковки тканей

Пупена О.М, Ельперін І.В, Ладанюк А.П. Особливості проектування комп’ютерно-інтегрованих систем управління

Квасніков В.П., Кочеткова О.В. Проектування координатно–вимірювальної машини на нейронних мережах

Водічев В.А., Мухаммед М.А. Дослідження системи стабілізації потужності різання металообробного верстата з фази-регулятором

Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И., Самойлов Н.А. Методика испытания термофотовольтаических преобразователей

Хобин В.А. Повышение качества формирования смесей средствами интеллектуализации алгоритмов управления порционным дозированием

Терновая Т.И. Автоматическая система разбраковки тканей с печатным рисунком методом компенсации информационных потоков

Рожков С.А., Бражник Д.А. Использование нейросетевых структур для построения систем распознавания образов

Місюра М.Д., Кишенько В.Д. Математичні моделі технологічних процесів пивоварного виробництва як об’єктів автоматизації

Ладанюк А.П., Власенко Л.О. Автоматизоване управління бізнес-процесами в комп’ютерно-інтегрованих структурах підприємства

Жукова Н.В., Литвинов В.І. Вирішення проблеми погодженого руху валків з неоднаковими катаючими діаметрами профілезгинальних станів

Денисова А.Е., Тодорцев Ю.К., Максименко И.Н. К вопросу об автоматизации интегрированной установки теплоснабжения с возобновляемыми источниками энергии

Бессараб В.И. Компьютеризированная система управления водоотливным хозяйством угольных шахт по критерию минимума энергозатрат

Хобин В.А. Регулятор переменной структуры для объектов технологического типа

Колесникова Е.В., Кострова Г.В. Формирование базы данных АСУТП дуговой сталеплавильной печи.

Водічев В.А. Автоматизована система керування швидкостями робочих рухів то-карного верстата для підвищення ефективності обробки торцевих поверхонь.

Бергер Е.Г., Дмитрієв Д.О., Бергер Є.Е., Діневич Г.Ю. Синтез строфоїдографів за методом параметричних сімей.

Бабак В.П., В.Н. Стадніченко, О.Г. Приймаков Прогнозування надійності, дов-говічності та витривалості авіаційних матеріалів

Бабак В.П., Стадниченко В.Н., Приймаков О.Г., Токарчук В.В. Прогнозування витривалості авіаційних матеріалів .

Куцак Р.С. Використання методу координатного еталону в задачах автоматизації контролю якості тканини.

Попруга А.Г. Усовершенствование электрических нагревателей по критерию экономии энергии.

Пашковский А.А., Далечин А.Ю. Система регистрации спектров фотолюминес-ценции

Никольский В.В., Цюпко Ю.М. Применение пьезоэлектрических датчиков в сис-теме кондиционирования воздуха судовых систем микроклимата.

Крапивко Г.И., Хлопёнова И.А. Повышение коэффициента полезного действия кремниевых фотоэлектронных преобразователей методом лазерной гравировки.

Кихтенко Д.А. Управление шаговыми двигателями в микрошаговом режиме, оп-тимизация управления.

Горохов В.А. Автоматизированная транспортно-складская система в текстильной и легкой промышленности.

Водічев В.А. Система стабілізації потужності різання фрезерного верстата з взаємозв'язаним керуванням швидкостями робочих рухів.

Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И. Испытание фотоэлектрических преобразователей в условиях экстремальных температурных колебаний.

Худяев А.А. К проблеме повышения точности воспроизведенияв классе многоканальных воспроизводящих систем с эталонной настройкой каналов.

Тверезовський В.С., Бараненко Р.В. Принцип побудови елементів вимірювальних систем, представлених цифровими програмно керованими давачами.

Никольский В.В., Сандлер А.К. Моделирование процессов в вискозиметре с пьезоэлектрическим приводом.

Марончук И.Е., Андронова Е.В., Баганов Е.А., Курак В.В. Использование метода импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава для формирования наноразмерных структур InSb в матрице GaSb.

Водічев В.А. Аналого-цифровий регулятор режиму металообробки для верстатів з числовим програмним керуванням.

Блинов Э.И., Кравцов В.И., Кравцов А.В., Недбайло А.Н. Управление гибкими протяженными объектами направленными силовыми воздействиями.