I. Contexte du projet et spécifications de l'équipement
Cette étude de cas concerne un four de nitruration ionique intelligent entièrement automatique, modèle WDL-IV-30A, utilisant une structure verticale à station unique à cloche unique. L'équipement est capable de nitruration ionique et de nitruration ionique douce des alliages de titane, des aciers alliés, des aciers pour moules et des aciers inoxydables.
La zone de travail effective du corps du four mesure 300 mm de diamètre et 400 mm de hauteur, avec une capacité de chargement maximale de 100 kg. La plage de température de fonctionnement courante est de 500 à 600°C, avec une température de fonctionnement maximale de 650°C. Le degré de vide ultime n'est pas supérieur à 6,7 Pa, le taux de montée en pression n'est pas supérieur à 5 Pa/h et le temps nécessaire pour pomper de la pression atmosphérique au vide ultime ne dépasse pas 30 minutes. L'augmentation de la température de la surface de la coque du four ne dépasse pas 55°C.
Dans la désignation du modèle, IV représente le système de commande numérique de quatrième génération, 30 représente le courant moyen maximum de l'alimentation à impulsions à 30 ampères et A représente le type intelligent entièrement automatique.
II. Contraintes physiques du processus de nitruration ionique
La nitruration ionique est réalisée dans un environnement de décharge de gaz à basse pression et sa courbe caractéristique voltampère est non linéaire. La nitruration ionique des matériaux métalliques s'opère généralement dans le segment « décharge anormale » de la courbe caractéristique voltampère, et le point limite supérieur G de ce segment est un point d'inflexion dangereux. La décharge gazeuse, en tant que source d'énergie, présente une charge avec des caractéristiques de résistance négatives. La pièce à usiner, agissant comme cathode, a sa forme de surface et son environnement environnant (empilement de pièces) affectant tous deux la densité de courant de surface.
Ces caractéristiques physiques déterminent que l’alimentation ionique doit surmonter trois difficultés techniques. La première est la décharge par arc : lorsque la surface de la pièce n’est pas propre, un film d’huile non conducteur peut facilement se former. Lorsque la charge s'accumule à la surface dans une certaine mesure, elle se décompose et forme une décharge momentanée à fort courant, produisant des étincelles à haute énergie. S'il n'est pas coupé rapidement, cela entraînera une panne de courant et des dommages à la pièce. Le deuxième est l'effet de cathode creuse : lorsque les pièces présentent des trous ou des fentes, des espaces entre les pièces ou des courbures inégales, un état critique de chevauchement des décharges luminescentes se produit à certaines pressions de gaz. Cela se manifeste par une luminosité de décharge luminescente inégale sur la surface de la pièce, correspondant à une densité de courant de surface inégale, provoquant une répartition inégale de la température. Le troisième est la relation de couplage entre la densité de courant et la pression du gaz : la pression du gaz affecte l’épaisseur de la lueur, qui à son tour affecte la densité du courant – une pression plus élevée produit une lueur plus fine, bénéfique pour l’uniformité de la température ; cependant, lorsque la pression est suffisamment élevée pour couvrir uniformément toutes les surfaces des rainures et des trous, le courant dépassera largement la puissance requise pour l'isolation de la pièce.
III. Logique de réponse technique de l'alimentation à impulsions
L'alimentation impulsionnelle configurée pour cet équipement a une fréquence de sortie de 20 000 Hz, une forme d'onde de sortie d'onde carrée, une tension de sortie réglable en continu de 0 à 900 V sans saut soudain au-dessus de 200 V, un rapport cyclique réglable en continu dans la plage de 10 % à 85 %, un courant moyen de sortie d'impulsion maximal de 30 A et un temps d'extinction d'arc ne dépassant pas 2 μs.
Le rapport cyclique est défini comme le rapport entre le temps de fonctionnement et la période d'impulsion. La puissance de chauffage moyenne est égale à la tension de crête multipliée par le courant, puis multipliée par le rapport cyclique. L'introduction d'un cycle de service réglable dans l'alimentation pulsée résout efficacement la contradiction entre la puissance de chauffage moyenne et les conditions seuils requises pour le traitement de la pièce. L'essence de cette contradiction est que, pour satisfaire la densité de courant requise pour une couverture de lueur uniforme, la puissance de chauffage peut dépasser la puissance requise pour maintenir la température de la pièce, et l'ajustement du cycle de service permet de découpler ces deux éléments.
L'extinction rapide de l'arc est obtenue en utilisant le principe de l'induction électromagnétique dans le circuit de décharge pour détecter rapidement le signal d'arc (avec presque aucun délai), puis en contrôlant immédiatement le commutateur électronique à grande vitesse du circuit de courant principal via des dispositifs logiques numériques à grande vitesse, éteignant l'arc en 2 μs.
L'application de l'alimentation par impulsion produit également plusieurs effets de processus : le temps d'arrêt absolu de l'impulsion est relativement court et, une fois l'alimentation coupée, la concentration de particules chargées ne tombe pas immédiatement à zéro mais diminue lentement. Avant qu’elle ne diminue de manière significative, l’impulsion suivante arrive, ce qui entraîne une concentration moyenne d’électrons plus élevée et un taux d’ionisation accru ; l'effet de cathode creuse est efficacement supprimé ; et comme l'alimentation pulsée élargit la plage de réglage des paramètres du processus de nitruration, chaque paramètre étant réglable indépendamment, elle peut améliorer l'uniformité de la couverture lumineuse sur des pièces présentant des formes de surface complexes, améliorant ainsi la qualité de la couche d'infiltration et le lissé de la surface.
IV. Système de contrôle en boucle fermée à trois paramètres
Le système de contrôle utilise un automate programmable et un écran tactile comme centre de contrôle principal. L'automate est une unité de la série FX3G avec une capacité de mémoire de programme de 32 000 étapes, une vitesse de traitement des instructions de base de 0,21 μs et deux interfaces de communication à haut débit (RS422 et USB). L'écran tactile est un écran LCD TFT de 12 pouces avec une résolution de 1920 × 1080, un contact résistif à quatre fils, une fréquence principale de 1 GHz et un logiciel de configuration McgsPro préinstallé.
Le système adopte une architecture entièrement numérique de gestion centralisée et de contrôle distribué multitâche, capable de réaliser simultanément un contrôle en boucle fermée de trois paramètres clés dans la nitruration ionique : une précision de contrôle de température de ± 1 °C, une précision de contrôle de pression de ± 1 Pa et une précision de contrôle de débit de ± 0,5 %.
Le contrôle de la température utilise des contrôleurs numériques japonais de la série Shimaden SRS13 avec régulation PID, formant un système de régulation de la température en boucle fermée avec le circuit de contrôle de la température et le thermocouple. Le contrôle de la pression utilise également des contrôleurs numériques Shimaden SRS13, formant un système de régulation de pression en boucle fermée avec un convertisseur de fréquence et un capteur de pression. Le contrôle du débit est configuré avec un débitmètre massique dédié pour contrôler le débit de gaz.
Le chemin de mise en œuvre de la pression en boucle fermée est le suivant : le transmetteur de pression mesure la pression du four et transmet un signal de courant standard au contrôleur numérique. Le contrôleur effectue des calculs PID basés sur la valeur de pression définie et les valeurs échantillonnées en temps réel, puis transmet un signal de courant standard au variateur de fréquence. En ajustant la vitesse du moteur de la pompe à vide, la vitesse de pompage est ajustée, maintenant ainsi la pression du four constante à la valeur définie par le processus. Cette méthode de contrôle atteint une précision de ±1 Pa, tandis que l'utilisation combinée de la pompe à vide et du convertisseur de fréquence réduit considérablement l'usure mécanique du corps de la pompe lors du démarrage, et un fonctionnement à basse vitesse à long terme peut prolonger considérablement la durée de vie.
Le contrôle du débit utilise des débitmètres massiques japonais de la série HORIBA S500, avec un temps de réponse inférieur à 0,3 ± 2 % secondes depuis l'état complètement fermé jusqu'à l'atteinte du point de consigne lorsque le contrôle commence et lorsque le point de consigne est modifié pendant le contrôle. La plage de contrôle couvre 1 à 100 % de la pleine échelle, fonctionnant à partir d'une seule alimentation universelle DC24 V, avec le circuit d'alimentation interne isolé des circuits d'entrée et de sortie.
V. Caractéristiques structurelles du système de corps de four
Le corps du four adopte une structure en cloche verticale, composée de deux parties : la cloche et la base. Le cylindre cloche adopte une structure à double paroi refroidie à l'eau et un système de refroidissement par eau multicanal pour assurer l'uniformité de la température du four. Six couches d'écrans thermiques en acier inoxydable 310S sont installées à l'intérieur du cylindre, et deux couches d'écrans thermiques en acier inoxydable sont installées sur la partie supérieure de la base du four, permettant un fonctionnement à haute température à long terme et des économies d'énergie significatives. Une couche de coton isolant en silicate d'aluminium d'une épaisseur de 20 mm est ajoutée à l'intérieur de la couche isolante près de la paroi du four.
La plaque cathodique est soutenue sur la base du four par trois jeux de mica coulé de haute qualité, réglables en hauteur. La plaque cathodique est constituée d'une plaque d'acier inoxydable 310S d'une épaisseur d'au moins 30 mm ; le cadre de fixation du plateau de matériau qui entre en contact avec la pièce à usiner est également en acier inoxydable 310S. Le dispositif de connexion cathodique est conçu comme une connexion rigide pour éviter les problèmes de surchauffe causés par des raccords rapides desserrés.
Deux thermocouples sont introduits depuis la plaque inférieure du four et positionnés au milieu de la plaque cathodique pour simuler la tête de mesure de la température. L'un est utilisé pour le contrôle de la température par l'alimentation par impulsions de chauffage ionique, et l'autre est connecté à l'instrument d'alarme pour la surveillance multidirectionnelle de la température. Le centre de base est doté d'un port d'extraction sous vide et d'une entrée de cathode, reliés par des brides, un tuyau en acier inoxydable à paroi épaisse et un soufflet en acier inoxydable, avec une étanchéité assurée par des bagues d'étanchéité en caoutchouc fluoré résistant aux hautes températures.
VI. Systèmes de vide et de gaz
Le système de vide est utilisé pour la pré-aspiration du corps du four ainsi que pour le remplacement de l'atmosphère et l'évacuation des gaz d'échappement pendant le processus de nitruration. Le système est équipé d'une pompe à palettes rotatives 2X15 comme unité de vide. Le groupe de pompes comprend une pompe à vide électromagnétique avec une valve de gonflage et une vanne papillon à vide poussé. La pompe à palettes rotatives est une unité de la série Guangdong Xunda 2X, résistante à la corrosion des gaz de procédé, contrôlée par un convertisseur de fréquence et équipée d'une vanne papillon à vide poussé GI-50 comme vanne de régulation principale.
La mesure du vide utilise un transmetteur de pression absolue à membrane capacitive de type ZJ-1C. Cette jauge à vide n'est pas affectée par le type et la composition du milieu mesuré, fournissant une mesure précise et fiable, la valeur mesurée étant affichée par un instrument à affichage numérique et participant au contrôle de la pression du four.
Le système de distribution de gaz est utilisé pour contrôler l'introduction du gaz de traitement dans le four, composé d'une source de gaz, d'un débitmètre et des canalisations correspondantes. Les gaz de procédé (tels que l'ammoniac) sont fournis par l'utilisateur, passant à travers un débitmètre massique puis introduits dans le corps du four via une cuve de mélange dédiée selon la formule du procédé. Les gazoducs sont en acier inoxydable et chaque conduite de gaz est équipée d'un réducteur de pression, d'un robinet d'arrêt manuel, d'un filtre, d'un manomètre et d'une électrovanne.
VII. Système d'eau de refroidissement
Le système d'eau de refroidissement adopte une méthode de refroidissement par circulation, avec la source d'eau fournie par la tour de refroidissement et la pompe à eau (responsabilité de l'acheteur). Exigences en matière d'eau de refroidissement : température de l'eau d'entrée ne dépassant pas 31 °C, pression d'eau d'entrée de 0,15 à 0,25 MPa et débit total de 20 m³/h. Chaque branche d'eau de refroidissement est équipée de vannes d'entrée et de sortie séparées pour un réglage individuel du débit. Tous les tuyaux d'eau de refroidissement, vannes et raccords fixés à l'équipement sont en acier inoxydable.
Un manomètre à contact électrique est installé sur le tuyau d'entrée principal pour les alarmes en cas de pression d'entrée anormale, et le système de contrôle prendra les mesures de protection correspondantes. Une vanne d'entrée d'eau de secours est installée sur le tuyau d'entrée d'eau principal, connectée au tuyau d'eau du robinet de l'utilisateur. En cas de panne de courant inattendue ou de panne d'eau, le corps du four peut être refroidi par l'eau du robinet.
VIII. Verrouillage de sécurité et logique d'alarme
Le système dispose de fonctions d'alarme en cas de surchauffe, de surpression, de dommages au thermocouple, de manque d'eau et de perte de phase, avec des alarmes sonores et visuelles et des alarmes d'interface de contrôle, prenant les mesures de protection correspondantes telles que l'interdiction de la mise sous tension, l'interdiction du chauffage, l'arrêt ou la reprise du chauffage en fonction de problèmes spécifiques.
Le système de contrôle peut réaliser un autodiagnostic des défauts de l'équipement, invitant les utilisateurs à vérifier et à réparer les points de défaut correspondants. Lorsqu'un défaut survient, le système ferme automatiquement toutes les vannes. Le système de vide est doté de fonctions de démarrage et d'arrêt séquentielles, équipé d'un mécanisme de verrouillage complet et de verrouillage mutuel, toutes les vannes étant du type à arrêt de puissance.