有关智能型密封多用炉生产线计算机控制
自动生成最优化的气体渗碳工艺技术.渗碳时间和扩散开始时间渗碳层的碳浓度分布曲线的形状对渗碳零件的性能有显着的影响，但是传统的按经验制订的二段渗碳工艺很难实现渗碳层碳浓度分布的控制，寻找获得平台状的浓度分布曲线的方法乃是国内外先进的渗碳控制技术所追求的目标。除了表面浓度及有效硬化深度所对应的浓度之外，还需要以第三点作监控目标。该文认为，在强渗期结束扩散期开始之后，直至浓度分布曲线达到平台状之前，在浓度分布曲线上有一点的浓度是不变的(图中C )。若以浓度分布曲线第一次通过c 点时刻作为强渗期结束扩散期开始的判据(图中曲线1)，此时立即将表面含碳量降，则在达到有效硬化深度时，恰好获得平台状的浓度分布曲线(图1中曲线。
所给出的只是一种理想化的方法，实际上，在扩散期开始之后表面碳浓度由降低到C 需要经历?段时间(取决于炉气碳势下降的速率和气一固反应传递系数B)。在实际生产情况下，交点C 并非固定不变。因而采用上述方法在实际渗碳过程中并不能保证最终获得平台状浓度分布曲线。
仪控制三个点是不够的，应以整个渗层浓度分布曲线的最终形状作为控制的目标。该文将某一时刻的浓度分布曲线(图2中曲线1)高于晟终浓度分布曲线(图2中曲线2)的面积定义为S1，曲线1低于曲线2的面积定义为S z，布扩散期内使S-中的碳扩散到S 中就得到最终的浓度分布曲线(见图，因此以S =S：作为扩散期开始的判据。该文又指出，在实际生产中s。应略大于s z，即以S-=a Sz为扩散开始的判据，并认为a值略大于1，约为1.1。问题在于a值是否为常数?它受何种因素影响?为此我们用计算机模拟和剥层分析相结合的方法进行了研究，发现在实际生产中有多种因素，诸如渗碳层深度、与CS 、传递系数B、碳在奥氏体中的扩散系数、炉子的降温速率和气氛碳势的降低速率等等都对a值有明显的影响，a值在0.9—2.2的大幅度内变化。因此以S。=S 或S =a S：为扩散开始的判据，在实际生产中很难保证获得平台状的碳浓度分布曲线。
在计算机模拟研究的基础上我们采用下述计算机辅助设计方法。根据第三类边界条件非线性瞬态浓度场数学模型进行渗层浓度分布曲线的 ‘算机模拟计算，经过反复叠代以确定开始转入扩散阶段的时间t ，开始降温时间t 及总时间t (见图3)。采用非线性模型(工艺参数作为时间的函数)在模拟计算中考虑炉子的升温速率、降温速率、渗碳初期碳势上升速率和由渗碳期向扩散期过渡时碳势下降的速率，不同阶段中传递系数的'变化，及温度对扩散系数的影响等因素。首先由计算机从知识库中调用相近的案例，给出 s的初值，然后按图3的工艺规程进行瞬态浓度场模拟，求得出炉时的浓度分布曲线，它与c6水平线的交点即为有效硬化深度6。如果6计算>6设定，则缩短 6和 7重新计算;若6计算<6设定，则延长 6和 7重新计算，直至6¨_算=6设定。另一方面，以计算的浓度分布曲线上的最高点c? 第一 次降至cs +O.05%C作为获得平台状的最件浓度分布曲线的判据。如果此时设疟，则延长 s重新计算，反之则缩短 s重新计算，直至获得同时满足6计算=61世定及c =Cs2+O.05%的最优化T岂规程。
渗碳期的气相碳势上海交通大学的动态碳势控制技术f 3嘟将渗碳期的碳势作为时间的函数，在渗碳初期将气相碳势控制在较高的水平，使钢表面的碳浓度C S迅速上升。当C S达到设定值之后，气相碳势连续降低，使保持不变，这就可以加快渗碳速度。wtinning指出，如果初期气相碳势控制在析出碳黑的极限，将获得最快的渗碳速度且使最终的浓度分布曲线出现最宽的平台。
方法所追求的是一种理想的最优化方案，却并非是在所有生产情况下都能实现的方案。
经验告诉我们，任何一台渗碳炉只可能保证在其装料区内达到 定程度的温度均匀性，在炉膛中不可避免存在温度低于渗碳温度的区域。当炉气的碳势控制在对应于渗碳温度下析出碳黑的极限(即炉气的成分在渗碳温度下与石墨平衡)时，对丁.炉膛内温度低于渗碳温度的区域，气相将处于过饱和碳的状态，将有碳黑在该处析出。这种现象对于井式气体渗碳炉尚无大碍，因为在每次进出炉时，大部分碳黑会被烧掉。然而对于密封多用炉而言，大部分碳黑将积聚在炉内，以致无法正常生产。本公司生产的密封多用炉，渗碳期的气相碳势没定为1.10% l_15%图3中第1阶段)，当工件表面的碳浓度达到C S 之后，为了控制表面碳势保持不变，需要令每一时刻通过界而反应由气相转移到工件表面的碳流通量恰好等于由表面向内扩散的碳流通量，因此，随着渗碳时问的延长气相碳势的控制值应逐渐降低，如图中的第1I阶段。
计算机自动生成最优化_L艺根据2.1和2.2所述的原理已开发成功通过计算机模拟生成最优化渗碳工艺的软件，本文所指的最优化并非理想的最优化，而是在密封多用炉生产线上有可能实现的事实卜的最优化。全部模拟计算以及调l用不同钢种的活度系数和扩散系数，气同反应的传递系数，气相碳势的最高设定值等均由计算机自动完成，用户只需要输入工件材料，有效硬化深度等技术要求，计算机即能自动生成最优化的渗碳工艺规程。分别是计算机智能控制系统的模拟计算、渗碳过程模拟工艺计算和最优化工艺规程的显示界面。
/CAM自动连接的无纸化生产当计算机白动生成最优化的工岂规程之后，可以按二种方式山计算机按照最优化上艺规程对牛产过程进行自动控制。
直接进入自动控制。
用户输入T什材料和渗碳技术要求之后，点击确定按钮，计算机控制系统自动按优化上艺规程进行生产过程的自动控制。
存入工艺库中，供控制子系统自动调用。
上述 种无纸化生产方式都可以最人限度减少人为的差错，使本产品成为CAE/CAD自动连接的无纸化气体渗碳白动生产线。若工程技术人员想事先了解渗碳的进程及优化工艺设计情况，在用户输入工件材料和渗碳要求等信息之后，可以在“模拟和工艺设计”视窗中观察到模拟运算的情况，了解在渗碳过程中不同时刻的浓度分布和优化工艺规程的设计结果，经确认后存入“工艺库”中，随后可以按工艺号或零件号自动调用。上述操作可以在不中断过程控制的情况下进行，计算机系统在“前台”不间断地进行生产控制，在“后台”接受输入信息、进行工艺优化设计。因此工程技术人员可以在任何时刻在不影响当时生产过程控制的情况下进行计算机辅助优化工艺规程的操作，随后本生产线按每一炉的工件号或工艺号进行生产过程的全自动控制，实现无纸化自动化生产。
动态碳势控制技术一自动消除偏差所造成的后果除本系统之外，目前世界上所有的密封多用炉生产线制造商所提供的控制系统都采用旨在消除实测值与设定值之间的偏差的控制模式，例如自整定控制、模糊算法控制等，虽然可以消除偏差，但不可能消除已产生的偏差对渗碳过程造成的影响，以致其后的渗碳过程将在一定程度上偏离了最优化状态。气体渗碳是一种具有大滞后特性的过程，偏差所造成的后果显得更明显。为了保证渗碳质量的重现性，在本生产线上采用了能够消除各种偏差所产生的后果的动态碳势控制技术。
图5是动态碳势控制子系统的组成图。在动态碳势控制软件中设置了快速计算浓度分布曲线的子程序，可以根据实测的炉温和气相碳势等采样值即时计算出瞬态浓度场，求出当前时刻最优化的c 的设定值，在生产过程中根据具体的情况实现最优化动态控制。
动态碳势控制技术由于采用了数学模型在线运算的创新性控制方式，从而能够消除偏差所造成的后果。图6给出了一个例子。在一次渗碳过程中发生了渗碳剂供应中断的故障，动态碳势控制软件能及时计算出在气相碳势下降和恢复期间的碳浓度分布曲线变化情况，随后自动给予补偿，以消除偏差所造成的后果。图6中的虚线表示在动态碳势控制第阶段理论上的最优化控制曲线，由于渗剂供应故障，使c 偏离曲线，在计算机发出调节指令和报警的同时，传感器继续将各种测试数据输入计算机，并由计算机不断计算出每一时刻的浓度分布曲线。按照一般的过程控制理念，当C 重新恢复到理论上的优化控制曲线时，意味着偏差已被消除。
但是计算机模拟的结果表明，对碳浓度分布曲线而言，偏差所造成的后果十分明显。因此在动态碳势控制技术中，当C 恢复到理论上的最优化控制曲线之后(在偏差消除之后)并非像传统的控制方法那样立即令c 跟踪原定的控制曲线，而是令c 继续上升，及至Cs重新达Nc .之后，再按动态碳势拧制的算法计算气相碳势的设定值。用这种方法可以使渗碳过程恢复到最优化的状态，达到事实上的最大渗碳速度和最佳的浓度分布，使渗碳质黾的重现性得到切实的保证。
热处理数据库和工艺库数据库中存贮我国及美、德、俄等吲常用渗碳钢的成分、活度系数、扩散系数、气一同反应物质传递系数、气相反应的平衡常数等数据，系统运行时自动调用有关数捌即可自动生成最优化渗碳 艺并自动完成生产过程控制。
系列智能型密封多用炉牛产线所配置的数据库是?种可扩展的数据库，用提示输入新的渗碳钢的相关数据，或者是 些新的渗碳方法的传递系数、扩散系数，就可以扩大牛产线的应用范围，也可以由上海交通大学先进热处理远 服务巾心站提供数据支援。主计箅机及时读取所有传感器的采样值和所囱‘机械动作的运行信号，并由主计算机根据最优化工岂和动态控制系统作出的决策，用数据通讯的方式分别向所有的智能化仪表~HPLC或钾能控制单 已发送各种控制没定值，从而使所有的执行元件根槲最优化工艺的要求协调一致地工作，包括渗碳炉温度、气氛碳势的控制、工艺时间控制、密封多用炉的炉rJ启闭和全部进出炉自动操作、淬火 降台的操作、淬火油温度的监控、淬火汕惜搅拌速度的控制、清洗机和回火炉的自动操作和叫火温J曼控制、料车和装料平台的操作等，使整个生产线都置于计算机的集·}J控制下实现自动化生产，并住上计算机的屏幕上直观地显示所有传感器的测试数据。用图形显示生产线的操作状态及故障报警，还具有彩媒体摄像头从屏幕上观察生产线作状况的功能。
可扩展性由于本生产线的硬件配置充分考虑到了牛产管理和过程控制一体化的需要，今后只要扩腱软件的功能就可以使生产线的整体功能提升。例如，正在开发的故障自诊断、生产顾草管理等： 系统将使本生产线的计算机生产管理功能提升到较高水、 已初步开发成功的渗碳层 维浓度场碳浓度分布计算机模拟和控制子系统(罔8)『F存试运行，别于提高渗碳零件质量将有重大作用。
使用大容积油槽，内簧导向槽和导流板，配备变频调速搅拌装置，搅拌速度和淬火油楷温度部可根据中心计算机的控制指令进行调节。
采用变频调速搅拌装置虽然增加了设备的成本，但可以使冷却过程纳入控制状态，可以根据渗层硬度分布预报的结果对不同大小的工什采用小同的搅拌速度，并且可以在不同的冷却阶段采用不的搅拌速度，目前是用慢一快一中一慢一静止多个阶段的冷却方式，有助于减少工件的崎变。
配置变频调速搅拌装置也为今后将淬火冷却计算机模拟技术应用于密封多用炉生产线打下物质基础。
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