孟 燁,慶 鴿
(中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司,洛陽471039)
隨著我國金屬3D 打印技術[1]的飛速發(fā)展,金屬打印件的產(chǎn)量越來越高。 由于金屬3D 打印完成后會存在很多缺陷[2],如間隙缺陷和材料本質(zhì)的物理性能缺陷,產(chǎn)品內(nèi)應力過大、硬度不夠、可塑性低等實際性能問題,直接切割會產(chǎn)生外形尺寸變形,因此在產(chǎn)品對外形精密度要求較高的情況下需要先進行熱處理[3]。 氣氛退火爐的作用是消除金屬3D 打印零件內(nèi)部的孔洞缺陷,提高零件的致密度。 不同金屬的退火溫度和氣氛環(huán)境都不同,相對活潑的金屬為防止二次氧化,需要在氧含量極低的惰性氣體或者真空環(huán)境的保護下進行退火處理。
準確的溫度控制和氧含量控制是決定退火效果的關鍵因素。 測量溫度不準會導致燒結溫度過高或過低,無法達到預期硬度和應力釋放的效果;如果氧含量控制不到位,金屬在熱處理過程中極易氧化,影響其表面質(zhì)量。 對此設計了基于PIC 單片機的全自動退火爐設備控制系統(tǒng)。 設計時,采用全自動控制[4]的設計思路,加入氧傳感器[5],只需要通過觸摸屏在程序頁面上對不同材料的熱處理要求進行設置保存,在運行頁面點擊運行即可對整個熱處理過程按照所設置的程序進行全自動控制。
全自動氣氛退火爐控制系統(tǒng)[6]結構如圖1所示。該系統(tǒng)包括溫度控制系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)、電量采集、物聯(lián)網(wǎng)、觸摸屏操作等。
圖1 退火爐控制系統(tǒng)Fig.1 Annealing furnace control system
1)溫度控制系統(tǒng) 包括溫度采集和加熱系統(tǒng)。其中,以熱電偶作為溫度采集的輸入元件;加熱系統(tǒng)通過4~20 mA 信號控制可控硅觸發(fā)板的輸出來調(diào)整可控硅的導通角,以使通過發(fā)熱元件的電壓發(fā)生變化,從而調(diào)節(jié)發(fā)熱元件的輸出功率,進而調(diào)節(jié)溫度的變化。 溫度控制系統(tǒng)采用PID 算法[2]來進行精確地溫度控制。
2)氣氛控制系統(tǒng) 包括壓力采集和壓力控制。使用單電源供電的摩托羅拉壓力傳感器MPX2200 進行壓力采集,采集范圍為±0.1 MPa,采集精度±0.25%,使用OX-1 氧傳感器,檢測氧濃度范圍為0~25%。壓力控制分為負壓控制、正壓控制以及放氣控制。 負壓控制是指對爐腔抽真空;正壓控制是指向爐腔充入惰性氣體;放氣控制指排放爐腔內(nèi)的氣體。
3)電量采集系統(tǒng) 包括進電電壓采集、發(fā)熱元件電壓采集和發(fā)熱元件電流采集。經(jīng)由AC-DC 轉(zhuǎn)換芯片LTC1966 把交流信號轉(zhuǎn)化為直流,再輸入進CPU 進行采集。
4)物聯(lián)網(wǎng) 其功能是單片機通過RS232 協(xié)議與WiFi 模塊進行實時通訊,可以對系統(tǒng)設置參數(shù)、程序設置以及當前狀態(tài)進行雙向傳輸和控制,并可通過相應開發(fā)的手機App 進行操作。
5)觸摸屏 其功能是單片機通過RS232 協(xié)議與觸摸屏進行實時交互,可以通過觸摸操作對系統(tǒng)參數(shù)、程序、時鐘、報警信息、運行狀態(tài)等功能進行顯示和設置,能夠更直觀地觀測到系統(tǒng)的運行狀態(tài)。
退火爐電氣控制系統(tǒng)的硬件設計如圖2所示。該系統(tǒng)采用微芯(Microchip)公司的高可靠性8 位PIC18F46K42 系列的單片機[7]作為控制核心,以此負責程序運算、輸入采集、輸出控制轉(zhuǎn)換、外部通訊等。
圖2 氣氛退火爐電氣控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of electrical control system of atmosphere annealing furnace
由于氣氛退火爐退火的關鍵是控制爐腔內(nèi)的溫度與氧含量,故該系統(tǒng)溫度采集元件選用中低溫準確性高的S 型熱電偶,并加入氧濃度傳感器用以檢測爐腔內(nèi)氧含量,通過高精度的12 位AD 輸入進單片機進行計算。
該系統(tǒng)采用單電源5 V 供電。 模擬量采集輸入包括電量計算、熱電偶采集、氣壓采集、氧含量采集等; 數(shù)字量輸入包括門限信號采集、WiFi 模塊狀態(tài)輸入、環(huán)境溫度輸入等;數(shù)字量輸出包括氣缸控制、風扇控制、電磁閥控制等。 觸摸屏和WiFi 模通訊采用RS232 方式。
熱電偶采集電路如圖3所示。 信號先經(jīng)過濾波,過濾掉空間通多熱電偶補償導線帶進來的干擾信號,然后對信號的電平進行抬高,以消除后面運算放大器對小信號放大時的死區(qū)。 此處,運放選用MCPV6V01,零溫漂軌到軌運算放大器降低環(huán)境溫度變化時的影響及小信號放大的死區(qū),輸入到CPU進行AD 轉(zhuǎn)換采集。
圖3 熱電偶采集電路Fig.3 Thermocouple acquisition circuit
氣氛壓力采集電路如圖4所示。 壓力傳感器經(jīng)過軌到軌運放MCP6424 使用差分輸入的方法,對信號進行放大,輸入到單片機進行AD 轉(zhuǎn)換,再輸入單片機進行AD 轉(zhuǎn)換,經(jīng)過單片機程序的計算即可把實時的爐腔壓力顯示在觸摸屏上。
圖4 氣氛壓力采集電路Fig.4 Circuit of atmosphere pressure acquisition
氧濃度采集電路如圖5所示。 氧濃度傳感器串接在氣路回路當中,其輸出的信號經(jīng)由軌到軌運放進行一級放大和跟隨,再輸入單片機進行AD 轉(zhuǎn)換,經(jīng)過單片機程序的計算即可把實時的氧濃度顯示在觸摸屏上。
圖5 氧濃度采集電路Fig.5 Circuit of oxygen concentration collection
PWM 轉(zhuǎn)4~20 mA 輸出電路如圖6所示。單片機不能直接輸出用于控制可控硅觸發(fā)板的4~20 mA信號,但是可以輸出PWM 波。 PWM 波先經(jīng)過電路轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號,再由模擬信號轉(zhuǎn)化為4~20 mA信號用以控制可控硅觸發(fā)板,再控制可控硅的導通角度來控制發(fā)熱元件的功率輸出,從而達到溫度的控制的目的。
圖6 PWM 轉(zhuǎn)4~20 mA 電路Fig.6 PWM to 4~20 mA circuit
交流電壓采集如圖7所示。 真有效值轉(zhuǎn)換芯片LTC1966[8]進行AC-DC 轉(zhuǎn)換以便進入單片機進行轉(zhuǎn)換,LTC1966 采用Δ-Σ 技 術的真正RMS 至DC 轉(zhuǎn)換,可以用最簡單的電路完成轉(zhuǎn)換過程,精度在0.1%之內(nèi)。
圖7 交流電壓電流采集電路Fig.7 AC voltage or current collection circuit
程序流程如圖8所示。 程序運行先檢測門信號狀態(tài),判斷門是否關嚴,再同時運行溫度和氣氛壓力的控制。 氣氛氧濃度的控制方法有2 種,一種是只對爐腔抽真空,該方法效率高、成本低。 另一種是洗氣,即先抽真空再充惰性氣體,進行幾個循環(huán),該方法可以得到氧濃度更低的氣氛,但成本和時間會增加。熱處理溫度-時間曲線如圖9所示。
圖8 程序流程Fig.8 Procedure flow chart
圖9 熱處理溫度/氧含量-時間曲線Fig.9 Temperature/oxygen content-time curve of heat treatment
步驟1設定預熱階段升溫時間t1,達到預熱溫度T1,預熱保溫時間t2。 在此時間段(0~t2)內(nèi)進行烘干操作,其主要作用是烘干工件表面水分。
步驟2設定升溫階段升溫時間t3,燒結溫度T3;在到達待退火工件氧化活潑溫度點T2之前,控制爐內(nèi)氣氛中氧濃度含量低于設置值P0;T2之后壓力值保持在(氧濃度)P0。 在此時間段(t2~t3),在達到T2前完成爐腔內(nèi)去氧操作。
步驟3設定保溫階段時間t4,燒結溫度T3,壓力值P0。 此期間(t3~t4)是在相對無氧的氣氛下對工件進行退火處理。
步驟4設定降溫階段,在降至保護溫度T2之前即(t4~t5),壓力值保持為P0;降至溫度T2以后,壓力控制解除。 在此期間(t4~t5)爐腔內(nèi)也受無氧氣氛保護,直至溫度降到退火工件的氧化活潑點以下。
所制作的PCB 電路板如圖10所示。經(jīng)測試,所設計的控制系統(tǒng)對溫度的檢測和控制精度小于±0.5 ℃,氣壓檢測和控制精度小于±0.5 kPa,氧濃度(體積分數(shù))檢測精度小于±1%,各項主要控制指標均優(yōu)于最低設計需求。試驗中,對相對活潑的金屬(純Ti[9])和相對不活潑的金屬(CoCr 合金[10])分別進行熱處理,所得工件強度及氧化程度均滿足性能需求。
圖10 PCB 板Fig.10 PCB board
目前,該系統(tǒng)正處于試驗階段,主要用于齒科行業(yè)金屬3D 打印義齒[11]的熱處理。所設計的控制系統(tǒng)能夠精準地檢測、控制溫度和氧含量,3D 打印金屬工件熱處理效果好,能夠滿足市場需求。