有關(guān)智能型密封多用爐生產(chǎn)線計算機(jī)控制
自動生成最優(yōu)化的氣體滲碳工藝技術(shù).滲碳時間和擴(kuò)散開始時間滲碳層的碳濃度分布曲線的形狀對滲碳零件的性能有顯著的影響，但是傳統(tǒng)的按經(jīng)驗制訂的二段滲碳工藝很難實現(xiàn)滲碳層碳濃度分布的控制，尋找獲得平臺狀的濃度分布曲線的方法乃是國內(nèi)外先進(jìn)的滲碳控制技術(shù)所追求的目標(biāo)。除了表面濃度及有效硬化深度所對應(yīng)的濃度之外，還需要以第三點(diǎn)作監(jiān)控目標(biāo)。該文認(rèn)為，在強(qiáng)滲期結(jié)束擴(kuò)散期開始之后，直至濃度分布曲線達(dá)到平臺狀之前，在濃度分布曲線上有一點(diǎn)的濃度是不變的(圖中C )。若以濃度分布曲線第一次通過c 點(diǎn)時刻作為強(qiáng)滲期結(jié)束擴(kuò)散期開始的判據(jù)(圖中曲線1)，此時立即將表面含碳量降，則在達(dá)到有效硬化深度時，恰好獲得平臺狀的濃度分布曲線(圖1中曲線。
所給出的只是一種理想化的方法，實際上，在擴(kuò)散期開始之后表面碳濃度由降低到C 需要經(jīng)歷?段時間(取決于爐氣碳勢下降的速率和氣一固反應(yīng)傳遞系數(shù)B)。在實際生產(chǎn)情況下，交點(diǎn)C 并非固定不變。因而采用上述方法在實際滲碳過程中并不能保證最終獲得平臺狀濃度分布曲線。
儀控制三個點(diǎn)是不夠的，應(yīng)以整個滲層濃度分布曲線的最終形狀作為控制的目標(biāo)。該文將某一時刻的濃度分布曲線(圖2中曲線1)高于晟終濃度分布曲線(圖2中曲線2)的面積定義為S1，曲線1低于曲線2的面積定義為S z，布擴(kuò)散期內(nèi)使S-中的碳擴(kuò)散到S 中就得到最終的濃度分布曲線(見圖，因此以S =S：作為擴(kuò)散期開始的判據(jù)。該文又指出，在實際生產(chǎn)中s。應(yīng)略大于s z，即以S-=a Sz為擴(kuò)散開始的判據(jù)，并認(rèn)為a值略大于1，約為1.1。問題在于a值是否為常數(shù)?它受何種因素影響?為此我們用計算機(jī)模擬和剝層分析相結(jié)合的方法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在實際生產(chǎn)中有多種因素，諸如滲碳層深度、與CS 、傳遞系數(shù)B、碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)、爐子的降溫速率和氣氛碳勢的降低速率等等都對a值有明顯的影響，a值在0.9—2.2的大幅度內(nèi)變化。因此以S。=S 或S =a S：為擴(kuò)散開始的判據(jù)，在實際生產(chǎn)中很難保證獲得平臺狀的碳濃度分布曲線。
在計算機(jī)模擬研究的基礎(chǔ)上我們采用下述計算機(jī)輔助設(shè)計方法。根據(jù)第三類邊界條件非線性瞬態(tài)濃度場數(shù)學(xué)模型進(jìn)行滲層濃度分布曲線的 ‘算機(jī)模擬計算，經(jīng)過反復(fù)疊代以確定開始轉(zhuǎn)入擴(kuò)散階段的時間t ，開始降溫時間t 及總時間t (見圖3)。采用非線性模型(工藝參數(shù)作為時間的函數(shù))在模擬計算中考慮爐子的升溫速率、降溫速率、滲碳初期碳勢上升速率和由滲碳期向擴(kuò)散期過渡時碳勢下降的速率，不同階段中傳遞系數(shù)的'變化，及溫度對擴(kuò)散系數(shù)的影響等因素。首先由計算機(jī)從知識庫中調(diào)用相近的案例，給出 s的初值，然后按圖3的工藝規(guī)程進(jìn)行瞬態(tài)濃度場模擬，求得出爐時的濃度分布曲線，它與c6水平線的交點(diǎn)即為有效硬化深度6。如果6計算>6設(shè)定，則縮短 6和 7重新計算;若6計算<6設(shè)定，則延長 6和 7重新計算，直至6¨_算=6設(shè)定。另一方面，以計算的濃度分布曲線上的最高點(diǎn)c? 第一 次降至cs +O.05%C作為獲得平臺狀的最件濃度分布曲線的判據(jù)。如果此時設(shè)瘧，則延長 s重新計算，反之則縮短 s重新計算，直至獲得同時滿足6計算=61世定及c =Cs2+O.05%的最優(yōu)化T豈規(guī)程。
滲碳期的氣相碳勢上海交通大學(xué)的動態(tài)碳勢控制技術(shù)f 3嘟將滲碳期的碳勢作為時間的函數(shù)，在滲碳初期將氣相碳勢控制在較高的水平，使鋼表面的碳濃度C S迅速上升。當(dāng)C S達(dá)到設(shè)定值之后，氣相碳勢連續(xù)降低，使保持不變，這就可以加快滲碳速度。wtinning指出，如果初期氣相碳勢控制在析出碳黑的極限，將獲得最快的滲碳速度且使最終的濃度分布曲線出現(xiàn)最寬的平臺。
方法所追求的是一種理想的最優(yōu)化方案，卻并非是在所有生產(chǎn)情況下都能實現(xiàn)的方案。
經(jīng)驗告訴我們，任何一臺滲碳爐只可能保證在其裝料區(qū)內(nèi)達(dá)到 定程度的溫度均勻性，在爐膛中不可避免存在溫度低于滲碳溫度的區(qū)域。當(dāng)爐氣的碳勢控制在對應(yīng)于滲碳溫度下析出碳黑的極限(即爐氣的成分在滲碳溫度下與石墨平衡)時，對丁.爐膛內(nèi)溫度低于滲碳溫度的區(qū)域，氣相將處于過飽和碳的狀態(tài)，將有碳黑在該處析出。這種現(xiàn)象對于井式氣體滲碳爐尚無大礙，因為在每次進(jìn)出爐時，大部分碳黑會被燒掉。然而對于密封多用爐而言，大部分碳黑將積聚在爐內(nèi)，以致無法正常生產(chǎn)。本公司生產(chǎn)的密封多用爐，滲碳期的氣相碳勢沒定為1.10% l_15%圖3中第1階段)，當(dāng)工件表面的碳濃度達(dá)到C S 之后，為了控制表面碳勢保持不變，需要令每一時刻通過界而反應(yīng)由氣相轉(zhuǎn)移到工件表面的碳流通量恰好等于由表面向內(nèi)擴(kuò)散的碳流通量，因此，隨著滲碳時問的延長氣相碳勢的控制值應(yīng)逐漸降低，如圖中的第1I階段。
計算機(jī)自動生成最優(yōu)化_L藝根據(jù)2.1和2.2所述的原理已開發(fā)成功通過計算機(jī)模擬生成最優(yōu)化滲碳工藝的軟件，本文所指的最優(yōu)化并非理想的最優(yōu)化，而是在密封多用爐生產(chǎn)線上有可能實現(xiàn)的事實卜的最優(yōu)化。全部模擬計算以及調(diào)l用不同鋼種的活度系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，氣同反應(yīng)的傳遞系數(shù)，氣相碳勢的最高設(shè)定值等均由計算機(jī)自動完成，用戶只需要輸入工件材料，有效硬化深度等技術(shù)要求，計算機(jī)即能自動生成最優(yōu)化的滲碳工藝規(guī)程。分別是計算機(jī)智能控制系統(tǒng)的模擬計算、滲碳過程模擬工藝計算和最優(yōu)化工藝規(guī)程的顯示界面。
/CAM自動連接的無紙化生產(chǎn)當(dāng)計算機(jī)白動生成最優(yōu)化的工豈規(guī)程之后，可以按二種方式山計算機(jī)按照最優(yōu)化上藝規(guī)程對牛產(chǎn)過程進(jìn)行自動控制。
直接進(jìn)入自動控制。
用戶輸入T什材料和滲碳技術(shù)要求之后，點(diǎn)擊確定按鈕，計算機(jī)控制系統(tǒng)自動按優(yōu)化上藝規(guī)程進(jìn)行生產(chǎn)過程的自動控制。
存入工藝庫中，供控制子系統(tǒng)自動調(diào)用。
上述 種無紙化生產(chǎn)方式都可以最人限度減少人為的差錯，使本產(chǎn)品成為CAE/CAD自動連接的無紙化氣體滲碳白動生產(chǎn)線。若工程技術(shù)人員想事先了解滲碳的進(jìn)程及優(yōu)化工藝設(shè)計情況，在用戶輸入工件材料和滲碳要求等信息之后，可以在“模擬和工藝設(shè)計”視窗中觀察到模擬運(yùn)算的情況，了解在滲碳過程中不同時刻的濃度分布和優(yōu)化工藝規(guī)程的設(shè)計結(jié)果，經(jīng)確認(rèn)后存入“工藝庫”中，隨后可以按工藝號或零件號自動調(diào)用。上述操作可以在不中斷過程控制的情況下進(jìn)行，計算機(jī)系統(tǒng)在“前臺”不間斷地進(jìn)行生產(chǎn)控制，在“后臺”接受輸入信息、進(jìn)行工藝優(yōu)化設(shè)計。因此工程技術(shù)人員可以在任何時刻在不影響當(dāng)時生產(chǎn)過程控制的情況下進(jìn)行計算機(jī)輔助優(yōu)化工藝規(guī)程的操作，隨后本生產(chǎn)線按每一爐的工件號或工藝號進(jìn)行生產(chǎn)過程的全自動控制，實現(xiàn)無紙化自動化生產(chǎn)。
動態(tài)碳勢控制技術(shù)一自動消除偏差所造成的后果除本系統(tǒng)之外，目前世界上所有的密封多用爐生產(chǎn)線制造商所提供的控制系統(tǒng)都采用旨在消除實測值與設(shè)定值之間的偏差的控制模式，例如自整定控制、模糊算法控制等，雖然可以消除偏差，但不可能消除已產(chǎn)生的偏差對滲碳過程造成的影響，以致其后的滲碳過程將在一定程度上偏離了最優(yōu)化狀態(tài)。氣體滲碳是一種具有大滯后特性的過程，偏差所造成的后果顯得更明顯。為了保證滲碳質(zhì)量的重現(xiàn)性，在本生產(chǎn)線上采用了能夠消除各種偏差所產(chǎn)生的后果的動態(tài)碳勢控制技術(shù)。
圖5是動態(tài)碳勢控制子系統(tǒng)的組成圖。在動態(tài)碳勢控制軟件中設(shè)置了快速計算濃度分布曲線的子程序，可以根據(jù)實測的爐溫和氣相碳勢等采樣值即時計算出瞬態(tài)濃度場，求出當(dāng)前時刻最優(yōu)化的c 的設(shè)定值，在生產(chǎn)過程中根據(jù)具體的情況實現(xiàn)最優(yōu)化動態(tài)控制。
動態(tài)碳勢控制技術(shù)由于采用了數(shù)學(xué)模型在線運(yùn)算的創(chuàng)新性控制方式，從而能夠消除偏差所造成的后果。圖6給出了一個例子。在一次滲碳過程中發(fā)生了滲碳劑供應(yīng)中斷的故障，動態(tài)碳勢控制軟件能及時計算出在氣相碳勢下降和恢復(fù)期間的碳濃度分布曲線變化情況，隨后自動給予補(bǔ)償，以消除偏差所造成的后果。圖6中的虛線表示在動態(tài)碳勢控制第階段理論上的最優(yōu)化控制曲線，由于滲劑供應(yīng)故障，使c 偏離曲線，在計算機(jī)發(fā)出調(diào)節(jié)指令和報警的同時，傳感器繼續(xù)將各種測試數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，并由計算機(jī)不斷計算出每一時刻的濃度分布曲線。按照一般的過程控制理念，當(dāng)C 重新恢復(fù)到理論上的優(yōu)化控制曲線時，意味著偏差已被消除。
但是計算機(jī)模擬的結(jié)果表明，對碳濃度分布曲線而言，偏差所造成的后果十分明顯。因此在動態(tài)碳勢控制技術(shù)中，當(dāng)C 恢復(fù)到理論上的最優(yōu)化控制曲線之后(在偏差消除之后)并非像傳統(tǒng)的控制方法那樣立即令c 跟蹤原定的控制曲線，而是令c 繼續(xù)上升，及至Cs重新達(dá)Nc .之后，再按動態(tài)碳勢擰制的算法計算氣相碳勢的設(shè)定值。用這種方法可以使?jié)B碳過程恢復(fù)到最優(yōu)化的狀態(tài)，達(dá)到事實上的最大滲碳速度和最佳的濃度分布，使?jié)B碳質(zhì)黽的重現(xiàn)性得到切實的保證。
熱處理數(shù)據(jù)庫和工藝庫數(shù)據(jù)庫中存貯我國及美、德、俄等吲常用滲碳鋼的成分、活度系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、氣一同反應(yīng)物質(zhì)傳遞系數(shù)、氣相反應(yīng)的平衡常數(shù)等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運(yùn)行時自動調(diào)用有關(guān)數(shù)捌即可自動生成最優(yōu)化滲碳 藝并自動完成生產(chǎn)過程控制。
系列智能型密封多用爐牛產(chǎn)線所配置的數(shù)據(jù)庫是?種可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫，用提示輸入新的滲碳鋼的相關(guān)數(shù)據(jù)，或者是 些新的滲碳方法的傳遞系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)，就可以擴(kuò)大牛產(chǎn)線的應(yīng)用范圍，也可以由上海交通大學(xué)先進(jìn)熱處理遠(yuǎn) 服務(wù)巾心站提供數(shù)據(jù)支援。主計箅機(jī)及時讀取所有傳感器的采樣值和所囪‘機(jī)械動作的運(yùn)行信號，并由主計算機(jī)根據(jù)最優(yōu)化工豈和動態(tài)控制系統(tǒng)作出的決策，用數(shù)據(jù)通訊的方式分別向所有的智能化儀表~HPLC或鉀能控制單 已發(fā)送各種控制沒定值，從而使所有的執(zhí)行元件根槲最優(yōu)化工藝的要求協(xié)調(diào)一致地工作，包括滲碳爐溫度、氣氛碳勢的控制、工藝時間控制、密封多用爐的爐rJ啟閉和全部進(jìn)出爐自動操作、淬火 降臺的操作、淬火油溫度的監(jiān)控、淬火汕惜攪拌速度的控制、清洗機(jī)和回火爐的自動操作和叫火溫J曼控制、料車和裝料平臺的操作等，使整個生產(chǎn)線都置于計算機(jī)的集·}J控制下實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，并住上計算機(jī)的屏幕上直觀地顯示所有傳感器的測試數(shù)據(jù)。用圖形顯示生產(chǎn)線的操作狀態(tài)及故障報警，還具有彩媒體攝像頭從屏幕上觀察生產(chǎn)線作狀況的功能。
可擴(kuò)展性由于本生產(chǎn)線的硬件配置充分考慮到了牛產(chǎn)管理和過程控制一體化的需要，今后只要擴(kuò)腱軟件的功能就可以使生產(chǎn)線的整體功能提升。例如，正在開發(fā)的故障自診斷、生產(chǎn)顧草管理等： 系統(tǒng)將使本生產(chǎn)線的計算機(jī)生產(chǎn)管理功能提升到較高水、 已初步開發(fā)成功的滲碳層 維濃度場碳濃度分布計算機(jī)模擬和控制子系統(tǒng)(罔8)『F存試運(yùn)行，別于提高滲碳零件質(zhì)量將有重大作用。
使用大容積油槽，內(nèi)簧導(dǎo)向槽和導(dǎo)流板，配備變頻調(diào)速攪拌裝置，攪拌速度和淬火油楷溫度部可根據(jù)中心計算機(jī)的控制指令進(jìn)行調(diào)節(jié)。
采用變頻調(diào)速攪拌裝置雖然增加了設(shè)備的成本，但可以使冷卻過程納入控制狀態(tài)，可以根據(jù)滲層硬度分布預(yù)報的結(jié)果對不同大小的工什采用小同的攪拌速度，并且可以在不同的冷卻階段采用不的攪拌速度，目前是用慢一快一中一慢一靜止多個階段的冷卻方式，有助于減少工件的崎變。
配置變頻調(diào)速攪拌裝置也為今后將淬火冷卻計算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)用于密封多用爐生產(chǎn)線打下物質(zhì)基礎(chǔ)。
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