I. 프로젝트 배경 및 장비 사양
본 사례 연구는 수직 단일 벨 자형 단일 스테이션 구조를 채택한 완전 자동 지능형 이온 질화로, 모델 WDL-IV-30A에 관한 것입니다. 이 장비는 티타늄 합금, 합금강, 금형강 및 스테인리스강의 이온 질화 및 연질 이온 질화를 수행할 수 있습니다.
로 본체의 유효 작업 영역은 직경 300mm, 높이 400mm이며 최대 적재 용량은 100kg입니다. 일반 작동 온도 범위는 500~600°C이며 최대 작동 온도는 650°C입니다. 최종 진공도는 6.7Pa 이하, 압력 상승 속도는 5Pa/h 이하이며, 대기압에서 최종 진공까지 도달하는 데 걸리는 시간은 30분을 초과하지 않습니다. 로 쉘 표면 온도 상승은 55°C를 초과하지 않습니다.
모델 명칭에서 IV는 4세대 디지털 제어 시스템을, 30은 펄스 전원 공급 장치의 최대 평균 전류 30암페어를, A는 완전 자동 지능형 유형을 나타냅니다.
II. 이온 질화 공정의 물리적 제약
이온 질화는 저압 가스 방전 환경에서 수행되며, 그 전압-전류 특성 곡선은 비선형입니다. 금속 재료의 이온 질화는 일반적으로 전압-전류 특성 곡선의 "비정상 방전" 구간에서 작동하며, 이 구간의 상한점 G는 위험한 변곡점입니다. 전원으로서의 가스 방전은 음의 저항 특성을 가진 부하를 제시합니다. 음극 역할을 하는 공작물은 표면 형상과 주변 환경(공작물 적재)이 모두 표면 전류 밀도에 영향을 미칩니다.
이러한 물리적 특성으로 인해 이온 전원 공급 장치는 세 가지 기술적 어려움을 극복해야 합니다. 첫 번째는 아크 방전입니다. 공작물 표면이 깨끗하지 않으면 비전도성 오일 필름이 쉽게 형성될 수 있습니다. 표면에 일정 수준의 전하가 축적되면 절연이 파괴되어 순간적인 고전류 방전이 발생하여 고에너지 스파크를 생성합니다. 이를 신속하게 차단하지 않으면 전원 차단 및 공작물 손상을 초래합니다. 두 번째는 할로우 캐소드 효과입니다. 공작물에 구멍이나 슬롯, 공작물 간의 간격 또는 불규칙한 굽힘이 있는 경우 특정 가스 압력에서 글로우 방전 중첩의 임계 상태가 발생합니다. 이는 공작물 표면 전체에 걸쳐 글로우 방전 밝기가 불균일하게 나타나며, 이는 표면 전류 밀도가 불균일하여 온도 분포가 불균일해지는 원인이 됩니다. 세 번째는 전류 밀도와 가스 압력 간의 결합 관계입니다. 가스 압력은 글로우 두께에 영향을 미치고, 이는 다시 전류 밀도에 영향을 미칩니다. 압력이 높을수록 글로우가 얇아져 온도 균일성에 유리합니다. 그러나 압력이 홈과 구멍 표면 전체를 균일하게 덮을 만큼 충분히 높으면 전류가 공작물 절연에 필요한 전력을 크게 초과합니다.
III. 펄스 전원 공급 장치의 기술적 응답 논리
이 장비에 구성된 펄스 전원 공급 장치는 20,000Hz의 출력 주파수, 사각파 출력 파형, 0~900V 범위에서 갑작스러운 점프 없이 연속적으로 조정 가능한 출력 전압, 10%~85% 범위에서 연속적으로 조정 가능한 듀티 사이클, 30A의 최대 펄스 출력 평균 전류, 2μs 이하의 아크 소거 시간을 갖습니다.
듀티 사이클은 온 타임과 펄스 주기의 비율로 정의됩니다. 평균 가열 전력은 피크 전압에 전류를 곱한 다음 듀티 사이클을 곱한 값과 같습니다. 펄스 전원 공급 장치에 조정 가능한 듀티 사이클을 도입하면 평균 가열 전력과 공작물 처리에 필요한 임계 조건 간의 모순을 효과적으로 해결합니다. 이 모순의 본질은 균일한 글로우 커버리지에 필요한 전류 밀도를 충족시키기 위해 가열 전력이 공작물 온도를 유지하는 데 필요한 전력을 초과할 수 있다는 것이며, 듀티 사이클 조정은 이 두 가지를 분리할 수 있게 합니다.
빠른 아크 소거는 방전 회로의 전자기 유도 원리를 이용하여 아킹 신호를 거의 지연 없이 신속하게 감지한 다음, 고속 디지털 로직 장치를 통해 주 전류 회로의 고속 전자 스위치를 즉시 제어하여 2μs 이내에 아크를 소거함으로써 달성됩니다.
펄스 전원 공급 장치의 적용은 또한 여러 공정 효과를 가져옵니다. 펄스의 절대 오프 타임은 상대적으로 짧고, 전원이 꺼진 후에도 전하 입자의 농도가 즉시 0으로 떨어지지 않고 천천히 감소합니다. 크게 감소하기 전에 다음 펄스가 도착하여 평균 전자 농도가 높아지고 이온화율이 증가합니다. 할로우 캐소드 효과가 효과적으로 억제됩니다. 펄스 전원 공급 장치는 질화 공정 매개변수의 조정 범위를 넓히고 각 매개변수를 독립적으로 조정할 수 있으므로 복잡한 표면 형상을 가진 공작물에 대한 글로우 커버리지의 균일성을 개선하여 침투층 품질과 표면 평활도를 향상시킬 수 있습니다.
IV. 삼중 매개변수 폐쇄 루프 제어 시스템
제어 시스템은 프로그래머블 로직 컨트롤러와 터치 스크린을 주요 제어 센터로 사용합니다. PLC는 32K 스텝의 프로그램 메모리 용량, 0.21μs의 기본 명령어 처리 속도, 두 개의 고속 통신 인터페이스(RS422 및 USB)를 갖춘 FX3G 시리즈 장치입니다. 터치 스크린은 1920×1080 해상도의 12인치 TFT LCD이며, 4선식 저항 터치, 1GHz의 메인 주파수, 사전 설치된 McgsPro 구성 소프트웨어를 갖추고 있습니다.
시스템은 다중 작업 중앙 집중식 관리 및 분산 제어 완전 디지털 아키텍처를 채택하여 이온 질화의 세 가지 주요 매개변수인 온도 제어 정확도 ±1°C, 압력 제어 정확도 ±1 Pa, 유량 제어 정확도 ±0.5%를 동시에 달성할 수 있습니다.
온도 제어는 일본 시마덴 SRS13 시리즈 디지털 컨트롤러와 PID 조절을 사용하여 온도 제어 회로 및 열전대와 함께 온도 폐쇄 루프 조절 시스템을 형성합니다. 압력 제어 또한 시마덴 SRS13 디지털 컨트롤러를 사용하여 주파수 변환기 및 압력 센서와 함께 압력 폐쇄 루프 조절 시스템을 형성합니다. 유량 제어는 하나의 전용 질량 유량계를 사용하여 가스 유량을 제어하도록 구성됩니다.
압력 폐쇄 루프 구현 경로는 다음과 같습니다. 압력 송신기가 로 압력을 측정하고 디지털 컨트롤러에 표준 전류 신호를 출력합니다. 컨트롤러는 설정 압력 값과 실시간 샘플링 값을 기반으로 PID 계산을 수행한 다음 주파수 변환기에 표준 전류 신호를 출력합니다. 진공 펌프 모터 속도를 조정하여 펌핑 속도를 조정함으로써 로 압력을 공정 설정 값으로 일정하게 유지합니다. 이 제어 방법은 ±1 Pa의 정밀도를 달성하며, 진공 펌프와 주파수 변환기의 조합 사용은 시동 중 펌프 본체의 기계적 마모를 크게 줄이고 장기간 저속 작동은 서비스 수명을 크게 연장할 수 있습니다.
유량 제어는 일본 호리바 S500 시리즈 질량 유량계를 사용하며, 제어가 시작될 때와 제어 중 설정값이 변경될 때 완전히 닫힌 상태에서 설정값에 도달하는 응답 시간은 0.3 ±2% 초 미만입니다. 제어 범위는 전체 스케일의 1~100%를 포함하며, 단일 범용 DC24V 전원 공급 장치에서 작동하고 내부 전력 회로는 입력 및 출력 회로와 분리됩니다.
V. 로 본체 시스템 구조적 특징
로 본체는 벨과 베이스의 두 부분으로 구성된 수직 벨 자형 구조를 채택합니다. 벨 실린더는 수냉식 이중벽 구조와 다중 채널 수냉 시스템을 채택하여 로 온도 균일성을 보장합니다. 실린더 내부에는 310S 스테인리스강 열 차폐 6개 층이 설치되어 있고, 로 베이스 상부에는 스테인리스강 열 차폐 2개 층이 설치되어 장기간 고온 작동과 상당한 에너지 절약을 가능하게 합니다. 단열층 내부의 로 벽 근처에 두께 20mm의 알루미늄 규산염 단열면이 추가됩니다.
음극판은 3개의 고품질 주조 운모 세트로 로 베이스에 지지되며 높이 조절이 가능합니다. 음극판은 두께 30mm 이상의 310S 스테인리스강 판으로 제작되며, 공작물과 접촉하는 재료 트레이 고정 프레임도 310S 스테인리스강으로 제작됩니다. 음극 연결 장치는 느슨한 퀵 커넥터로 인한 과열 문제를 방지하기 위해 단단한 연결로 설계되었습니다.
두 개의 열전대가 로 하부 플레이트에서 도입되어 음극판 중앙에 위치하여 온도 측정 헤드를 시뮬레이션합니다. 하나는 이온 가열 펄스 전원 공급 장치의 온도 제어에 사용되고, 다른 하나는 다방향 온도 모니터링을 위해 경보 장치에 연결됩니다. 베이스 중앙에는 진공 추출구와 음극 입구가 있으며, 플랜지, 두꺼운 벽 스테인리스강 파이프 및 스테인리스강 벨로우즈로 연결되고, 고온 내성 불소 고무 밀봉 링으로 밀봉됩니다.
VI. 진공 및 가스 시스템
진공 시스템은 로 본체의 사전 진공화 및 질화 공정 중 대기 교체 및 배기 가스 배출에 사용됩니다. 시스템에는 진공 장치로 2X15 로터리 베인 펌프 하나가 장착되어 있습니다. 펌프 세트에는 인플레이션 밸브가 있는 전자기 진공 펌프 하나와 고진공 버터플라이 밸브 하나가 포함됩니다. 로터리 베인 펌프는 광동 순다 2X 시리즈 장치로, 공정 가스 부식에 강하고 주파수 변환기로 제어되며, GI-50 고진공 버터플라이 밸브를 주 제어 밸브로 장착합니다.
진공 측정은 ZJ-1C 유형의 정전 용량 다이어프램 절대 압력 송신기를 사용합니다. 이 진공 게이지는 측정 매체의 종류 및 조성에 영향을 받지 않고 정확하고 신뢰할 수 있는 측정을 제공하며, 측정값은 디지털 디스플레이 장치로 표시되고 로 압력 제어에 참여합니다.
가스 분배 시스템은 공정 가스를 로에 도입하는 것을 제어하는 데 사용되며, 가스 소스, 유량계 및 해당 파이프로 구성됩니다. 공정 가스(암모니아 등)는 사용자가 제공하며, 질량 유량계를 통과한 후 공정 공식에 따라 전용 혼합 탱크를 통해 로 본체에 도입됩니다. 가스 파이프는 스테인리스강으로 제작되며, 각 가스 라인에는 감압 밸브, 수동 차단 밸브, 필터, 압력 게이지 및 솔레노이드 밸브가 장착됩니다.
VII. 냉각수 시스템
냉각수 시스템은 순환 냉각 방식을 채택하며, 수원은 냉각탑 및 워터 펌프(구매자 책임)에서 제공됩니다. 냉각수 요구 사항: 입수 온도 31°C 이하, 입수 압력 0.15~0.25 MPa, 총 유량 20 m³/h. 각 냉각수 분기에는 개별 유량 조정을 위한 별도의 입수 및 출수 밸브가 장착됩니다. 장비에 부착된 모든 냉각수 파이프, 밸브 및 피팅은 스테인리스강으로 제작됩니다.
주 입수 파이프에는 전기 접점 압력 게이지가 설치되어 비정상적인 입수 압력 발생 시 경보를 울리며, 제어 시스템은 해당 보호 조치를 취합니다. 주 수도 입구 파이프에는 백업 수도 입구 밸브가 설치되어 사용자의 수돗물 파이프에 연결됩니다. 예기치 않은 정전 또는 단수 시 로 본체는 수돗물로 냉각될 수 있습니다.
VIII. 안전 인터록 및 경보 논리
시스템에는 과열, 과압, 열전대 손상, 물 부족 및 위상 손실에 대한 경보 기능이 있으며, 가청 및 시각 경보와 제어 인터페이스 경보가 모두 있으며, 전원 켜기 금지, 가열 금지, 특정 문제에 따른 가열 차단 또는 재개와 같은 해당 보호 조치를 취합니다.
제어 시스템은 장비 고장의 자체 진단을 실현하여 사용자에게 해당 고장 지점을 확인하고 수리하도록 안내할 수 있습니다. 고장이 발생하면 시스템은 모든 밸브를 자동으로 차단합니다. 진공 시스템에는 순차 시작 및 중지 기능이 있으며, 완전한 인터록 및 상호 인터록 메커니즘이 장착되어 있으며, 모든 밸브는 전원 차단 시 차단되는 유형입니다.
귀하의 메시지는 20-3,000 자 사이 여야합니다!