Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

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 = {U_д, U_под, М, τ_н} можно отнести следующие параметры [5]:

U_д(τ) – напряжение на испарителе;

U_под(τ) – напряжение на подложке;

М(τ) – массовый расход газа реагента;

τ_н – продолжительность непосредственно процесса нанесения покрытия;

к вектору качества К = {δ, Н_м, D, σ_сц} – параметры:

δ – толщина покрытия;

Н_м – твердость покрытия;

D – дефектность покрытия;

σ_сц – 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, ΔI_я}, состоящий из следующих компонентов:

D – дефектность покрытия;

ΔI_я – 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 = {U_д, U_под, М, τ_н}.

Второй осуществляет настройку задатчика программ первого контура таким образом, чтобы вектор качества К = {δ, Н_м, D, σ_сц} 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.

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.