Повышение работоспособности режущего инструмента на основе автоматического управления технологическим процессом вакуумно-плазменного упрочнения

Современное автоматизированное механообрабатывающее производство все в большей степени использует ресурсосберегающие, экологически чистые технологии, позволяющие не только увеличивать производительность обработки резанием, но и обеспечивать высокую гибкость производственных процессов[2,5−7,32,72]. Тенденции развития механообрабатывающего производства связаны с отказом от применения высокотоксичных жидких, газовых и твердых 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 надежности режущего инструмента является использование инструментальных материалов с модифицированными поверхностными свойствами, формируемыми методами ионно-плазменной обработки[1,4,10,11,22].

Электродуговые испарительные устройства[ 1,1 2,1 3,34,63] занимают устойчивую самостоятельную позицию в числе друг их 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 стали. Эффект упрочнения инструмента достигается за счет создания на его поверхности износостойкой структуры, состоящей из азотированного подслоя с возрастающей к поверхности микротвердостью и твердого керамического мокрытия.

Технология и оборудование для комбинированной обработки режущего инструмента в вакууме позволяет[7,25,26,81 — 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;

• разделить процессы прогрева изделия и его ионной очистки, что позволяет вести последнюю с оптимальном дозой облучения ионами;

• производить эффективную химико-термическую обработку и нанесение износостойких покрытий за один технологический цикл;

• повысить эксплуатационную стойкость режущего инструмента с комплексной обработкой не менее чем в 1,5−3 раза по сравнению с инструментом, упрочнение которого осуществлялось только путем нанесения износостойкого покрытия.

Подавляющее большинство вакуумно-плазмепных установок отечественного производства не оснащены системами управления и для обслуживания требуют подготовленных специалистов-операторов. При этом работоспособность инструмента, подвергнутого комбинированному вакуумно-плазменному упрочнению на установках без автоматического управления, в значительной степени зависит от профессиональной квалификации и опыта оператора.

Актуальность автоматизации технологических процессов вакуумно-плазменного упрочнения[14,25] определяется, во-первых, стремлением производителей инструмента к повышению качества продукции, что возможно только с исключением влияния человеческого фактора, и, во-вторых, обостряющимся дефицитом высококвалифицированных операторов установок.

Однако автоматизация процессов комбинированного вакуумно-плазменного упрочнения наталкивается на ряд серьезных трудностей[36,89,92]. На работоспособность упрочненного инструмента влияет целый ряд параметров технологического процесса, для контроля за которыми необходимы дорогостоящие специальные средства, практически не применимые в реальных производственных условиях. Если в алгоритм управления не введены все переменные факторы, оказывающие существенное влияние на процесс вакуумно-плазменного упрочнения, и не предусмотрены соответствующие коррекции управляющего воздействия, то технологический процесс не может быть автоматически воспроизведен с требуемым качеством.

Ряд технологических режимов процесса комбинированного вакуумно-плазменного упрочнения, оказывающих существенное влияние на работоспособность упрочненного инструмента, в современных условиях легко поддается автоматическому контролю и управлению. Это, например, токи, напряжения и мощности источников питания дуговых испарителей и источника напряжения смещения, закон перемещения упрочняемого режущего инструмента в вакуумной камере, давление газовой с меси.

К параметрам технологического процесса, в наибольшей степени влияющим на работоспособность упрочненного инструмента и трудно поддающимся автоматическому контролю в реальных производственных условиях, относятся:

• состав газовой смеси, в которой происходят различные стадии процесса комбинированного вакуумно-плазменного упрочнения;

• температура упрочняемого режущего инструмента и распределение ее полей по поверхности инструмента;

• состояние (степень выработки) катодов электродуговых испарителей.

Разработка и практическая реализация методов автоматического управления комбинированным вакуумно-плазменным упрочнением, учитывающих перечисленные выше параметры, может существенно повысить работоспособность упрочненного режущего инструмента и в связи с этим является чрезвычайно актуальной задачей.

Цель работы:

Повышение работоспособности режущего инструмента на основе разработки и практической реализации системы управления процессом комбинированного вакуумно-плазменного упрочнения, включающей автоматическое регулирование состава и давления газовой смеси, дискретный пирометрический контроль температуры и инструмента и диагностирование состояния катодов ¦электродуговых испарителей вакуумно-плазменной установки по косвенным признакам.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены следующие задачи:

• проведение анализа параметров технологического процесса комбинированного вакуумно-плазменного упрочнения режущего инструментавыявление степени влияния различных параметров на работоспособность упрочненного режущего инструмента и надежность процесса;

• проведение анализа существующих методов автоматического контроля и управления значимыми параметрами технологического процесса комбинированного вакуумно-плазменного упрочненияопределение основных проблем, препятствующих дальнейшему повышению эффективности автоматического управления комбинированным упрочнением инструмента;

• разработка методов и алгоритмов автоматического контроля и управления: составом газовой смеси в камере вакуумно-плазменной установки, температурой упрочняемого режущего инструмента, состоянием катодов электродуговых испарителей;

• разработка и программная реализация алгоритмов автоматического управления и контроля параметров технологического процесса комбинированного вакуумно-плазменного упрочнения режущего инструментаалгоритмы должны быть интегрированы в программное обеспечение компьютерной системы управления вакуумно-плазменной установкойэкспериментальное подтверждение влияния разработанных методов автоматического управления на повышение стойкости режущего инструмента из быстрорежущей стали Р6М5. аучной новизной работы являются: метод автоматического регулирования состава и давления газовой смеси и дискретного пирометрического контроля температуры при комбинированном вакуумно-плазменном упрочнении инструмента, позволяющий значительно повысить его работоспособностьмодель и алгоритм диагностирования состояния катодов электродуговых испарителей вакуумно-плазменной установки по косвенным признакам, позволяющий исключить ее отказы из-за катастрофической выработки катода.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Основным препятствием на пути повышения эффективности автоматического управления вакуумно-плазменным упрочнением является наличие ряда параметров, трудно поддающихся автоматизированному контролю и управлению в промышленных условиях. К этим параметрам относится состав газовой смеси, температура поверхности упрочняемого изделия и состояние катода дугового испарителя.

2. Применение метода автоматического управления парциальными давлениями рабочих газов, образующих газовую смесь, позволяет существенно повысить среднюю стойкость режущего инструмента из быстрорежущей стали — в частности, сверл малого диаметра из стали Р6М5 с азотированным подслоем и покрытием ZrN при обработке стали 40Х — до 2-х раз по сравнению с аналогичными сверлами, упрочненными без применения автоматического управления.

3. Применение метода автоматического дискретного пирометрического контроля температуры наиболее нагретых участков поверхности режущего инструмента из быстрорежущей стали позволяет, во-первых, отказаться от менее эффективного и дорогостоящего метода термопарного контроля температуры по детали-представителю, во-вторых, получить износостойкость инструмента, аналогичную износостойкости инструмента, упрочненного опытным оператором без автоматического управления процессом.

4. Автоматическая диагностика состояния катода дугового испарителя по интегралу тока дуги позволяет снизить вероятность отказа установки из-за катастрофической выработки катода и повысить коэффициент использования катода — в частности, катода к установкам типа ННВ-6.6 и «СТАНКИН-АПП» — на 8. 10%.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Григорьев С. Н., Алешин С. В., Палютин А. А., Штепенко Ю. Ю., А. Г. Андреев, А. В. Кабанов, А. А. Шеин Технология нанесения вакуумно-плазменных покрытий на режущий инструмент // Качество машин: Сб. тр. IV международной научно-технич. конф. Т.2. Брянск: БГТУ, 2001. С. 130−132.

2. Горовой А. П., Федоров С. В., Кабанов А. В., Алешин С. В., Волосова М. А. Разработка и создание установки для низкотемпературного нанесения ионно-плазменных покрытий для упрочнения длинномерных изделий. Отчет по Гос. контракту 301−204 301−18 (00)-П. (per. № ВНТИЦ 01.2.00 100 986), 2001 г. 22 с.

3. Турин В. Д., Кабанов А. В., Мельник Ю. А. Разработка технологии поверхностной обработки изделий из диэлектрических материалов. // Производственные технологии. Материалы отчетной конференции-выставки по НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». — Москва, 2002. — С. 323. (Секция 11. Высокие технологии межотраслевого применения).

4. Григорьев С. Н., Горовой А. П., Кабанов А. В. Разработка технологии нанесения износостойких покрытий на длинномерные изделия с использованием планарного электродугового испарителя металлов. — Научно-технический журнал «Наука Москвы и регионов». — № 1. -М., 2002. — С. 75−76.

5. Григорьев С. Н., Кудымов Д. Н., Кабанов А. В. Разработка компьютерных систем программного управления установками для нанесения вакуумно-плазменных покрытий // Материалы IV Юбилейной Всероссийской научной конференции «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении». Бийск, 23−24 сентября 2004 г., с. 18−22.

6. Григорьев С. Н., Кабанов А. В., Кудымов Д. Н. Универсальная инструментальная программная система для создания систем автоматизированного управления технологическим оборудованием // Материалы V Всероссийской научно-технической конференции «Измерение, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях». Бийск, 7−8 октября 2004 г., с. 85−89.

7. Андреев А. Г., ¦ Кудымов Д. Н., Кабанов А. В. Автоматизированное управление оборудованием для вакуумно-плазменной поверхностной обработки // Упрочняющие технологии и покрытия. — № 9, 2005. — С. 48.

8. Григорьев С. Н., Андреев А. Г., Барабанов А. Б., Кабанов А. В. Автоматизация технологических процессов вакуумного электродугового нанесения износостойких покрытий // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве, Всероссийская научно-техническая конференция, Воронеж, 25−26 апреля 2006 г., с.93−94.

9. Григорьев С. Н., Кабанов А. В., Барабанов А. Б. Новая система компьютерного управления технологическим оборудованием для поверхностной упрочняющей обработки-изделий // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении, 5-я Всероссийская юбилейная научно-практическая конференция, Бийск, 20−22 сентября 2006, с.90−95.