真空爐典型故障案例分析

江智軒,丁章升,馬旭德,邵 錦

(昌河飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,江西 景德鎮(zhèn) 333002)

真空熱處理生產(chǎn)零件具有無氧化、變形小、表面質(zhì)量好和使用壽命長等優(yōu)點[1]。目前真空熱處理爐已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域,但真空熱處理爐較傳統(tǒng)熱處理爐在機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)方面要復(fù)雜的多,同時包含了真空抽氣系統(tǒng)、真空加熱及絕熱、真空密封、真空冷卻、真空電絕緣和真空溫度控制等核心關(guān)鍵技術(shù)。但由于真空爐配置了上位機(jī)、觸摸屏和PLC等元件,自動化程序較高,從而導(dǎo)致故障率和檢修難度也比傳統(tǒng)熱處理爐高。

1 真空爐加工零件變色故障

1.1 故障現(xiàn)象

某立式真空高壓氣淬爐在加工鈦合金、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti及有效厚度小于2.5 mm的不銹鋼材料時,其表面呈綠色、灰黃色,失去金屬本色,表面所產(chǎn)生的物質(zhì)會對零件力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

1.2 故障分析

真空熱處理零件變色是真空爐在使用過程中的典型問題之一,表面變色物質(zhì)常為氧化物。造成此問題的可能原因有以下幾點:

1)真空泄漏。壓升率超標(biāo)(一般要求≤0.67 Pa/h)。

2)爐膛污染。由于長時間使用,爐膛積累了過多的油污,在加熱生產(chǎn)過程中油脂揮發(fā)或分解,影響爐內(nèi)氣氛,從而造成工件表面氧化變色。

3)冷卻氣體氬氣純度不夠或冷卻管道/接頭處有微小漏點[2]。在保溫結(jié)束進(jìn)行快速冷卻時,大量的氬氣瞬間進(jìn)入爐膛進(jìn)行冷卻,若氬氣純度不夠或者冷卻管道有微小漏點,均有可能在冷卻時將外部大氣的氧氣帶入爐膛,造成工件表面瞬間變色。

4)真空系統(tǒng)抽氣效率不夠。在加熱過程中,不銹鋼材料中原子發(fā)生揮發(fā)(高于760 ℃較為明顯),若抽氣效率不夠,則會造成真空值有小幅度的上升,從而導(dǎo)致真空度不滿足零件真空熱處理要求而氧化變色。

5)爐膛內(nèi)漏水。若爐膛頂部熱交換器或冷卻水管路接頭處有微小漏點,在加熱過程中水在真空下持續(xù)揮發(fā),并在高溫下與零件表面反應(yīng),使零件發(fā)生氧化[3]。但漏水往往會造成真空值的波動,從真空值的變化可以反映出來。

1.3 故障處理

針對以上故障分析,按下述步驟逐條排查:

1)進(jìn)行壓升率測試。測試方法為先烘爐至設(shè)備最高使用溫度1150 ℃保溫2 h,爐冷至65 ℃,關(guān)閉各真空閥門、真空泵組后開始記錄真空值數(shù)據(jù)的變化,每30 min記錄一次,測得壓升率為0.29 Pa/h。這說明設(shè)備真空密封性能良好,滿足標(biāo)準(zhǔn)使用要求,排除泄漏可能。

2)對爐膛油污進(jìn)行清潔。清潔爐膛后,再次進(jìn)行零件加工試驗,發(fā)現(xiàn)零件仍變色嚴(yán)重,如圖1所示。

圖1 爐膛清潔前、后

3)針對氬氣不純及管道泄漏的可能,進(jìn)行工件加工隨爐冷試驗。保溫結(jié)束后不充氬氣,爐冷至室溫后發(fā)現(xiàn)工件依舊變色嚴(yán)重,故可排除氬氣不純及管道泄漏可能。

4)針對真空系統(tǒng)抽氣效率不足的可能。此設(shè)備配置的機(jī)械泵及羅茨泵組合為Edwards“412J+615”經(jīng)典組合,開啟機(jī)械泵及羅茨泵抽真空30 min后,爐膛真空度為50～60 mtorr,雖然滿足真空加熱條件(≤70 mtorr),但根據(jù)所抽腔體容積及泵的資料計算(機(jī)械泵極限真空為25 mtorr,結(jié)合羅茨泵應(yīng)理論上可以達(dá)到10 mtorr以內(nèi)),此抽真空效率明顯偏慢、極限真空度明顯偏高。該真空泵組合隨設(shè)備安裝使用至今,運(yùn)行已達(dá)到15年以上,初步判斷其機(jī)械泵內(nèi)部軸承、滑閥、劃片、相關(guān)密封元件以及羅茨泵內(nèi)部相關(guān)部件均出現(xiàn)不同程度的磨損,影響了其極限真空度及抽真空效率。因此,更換機(jī)械泵與羅茨泵再次進(jìn)行抽真空測試, 抽真空15 min后爐膛真空度可達(dá)到19 mtorr,極限真空度得到明顯改善。零件表面無變色現(xiàn)象,如圖2所示,此問題得到解決。

圖2 零件表面無變色

2 真空爐觸摸屏無數(shù)據(jù)顯示故障

2.1 故障現(xiàn)象

真空爐設(shè)備通電后,觸摸屏面板上的溫度和真空數(shù)據(jù)顯示為0 ℃和0 mtorr,同時通過觸摸屏無法控制設(shè)備運(yùn)行。該設(shè)備使用羅克韋爾(AB)1747型PLC,觸摸屏通過網(wǎng)線采集PLC中的相關(guān)數(shù)據(jù)并顯示?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn) AB PLC中的CPU模塊FLT紅燈閃爍、BATT紅燈常亮,提示PLC運(yùn)行故障,電池耗盡,PLC輸入點位顯示正常,無任何輸出點位動作,如圖3所示。

圖3 PLC運(yùn)行故障

2.2 故障分析

觀察PLC故障狀態(tài),發(fā)現(xiàn)FLT指示燈在上電過程中與上電后都處于閃爍狀態(tài),分別代表處理器沒有被組態(tài),在處理器、擴(kuò)展框架或存儲器中檢測到一個主要錯誤。BATT紅燈常量代表電池耗盡,而電池沒電則可能導(dǎo)致PLC程序丟失。

結(jié)合PLC狀態(tài)指示燈故障指示、無任何輸出點位動作,基本確認(rèn)PLC程序丟失,PLC內(nèi)部無任何硬件組態(tài),設(shè)備傳感器信號數(shù)據(jù)無法進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換處理,同時與觸摸屏通訊異常,從而導(dǎo)致觸摸屏無任何數(shù)據(jù)顯示。

2.3 故障原因確認(rèn)及處理

2.3.1故障原因確認(rèn)

該設(shè)備使用AB-1747型PLC,對應(yīng)使用的編程軟件為Rslogix500,通訊軟件為Rslinx,通訊線纜可用RS232-USB線纜或普通網(wǎng)線[4],通過軟件連接PLC查看狀態(tài)確認(rèn)故障原因。使用網(wǎng)線進(jìn)行PLC通訊,具體步驟如下:

1)確定PLC的IP地址。在觸摸屏上電過程中,發(fā)現(xiàn)觸摸屏?xí)@示出觸摸屏自身的IP地址為170.20.1.2,而PLC肯定與觸摸屏處在同一網(wǎng)段170.20.1.xx,故需要將PC端的IP地址也設(shè)置在同一網(wǎng)段,如170.20.1.99。

2)拔出PLC連接觸摸屏的網(wǎng)線,新增一根網(wǎng)線,一端連接PLC,一端連接PC。打開Rslinx軟件,communication-configure Drivers進(jìn)行添加通訊方式,選擇EtherNet/IP Driver,進(jìn)行Add New添加。

3)驅(qū)動配置里選擇Browse Local Subnet瀏覽本地網(wǎng)絡(luò),選擇與控制器聯(lián)機(jī)的網(wǎng)卡,點擊確定。

4)參數(shù)設(shè)置完成后,點開AB-ETHIP-1前面的“+”號,軟件顯示“AB 1747-L552”已經(jīng)掃到,說明PC與PLC已經(jīng)成功通訊。

5)打開RSlogix500編程軟件進(jìn)行程序上載,出現(xiàn)錯誤代碼0001h,報警提示:檢測到一個被破壞的CRC校驗(電池丟失可能導(dǎo)致),或者在用戶程序下載時重啟電源,初始化內(nèi)存,無法上線或者從缺失的處理器上載,只能執(zhí)行下載。確認(rèn)程序丟失。

2.3.2故障處理

1)更換PLC電池。在斷電狀態(tài)下拔出PLC中的CPU模塊,更換內(nèi)部的3.6 V鋰電池。PLC在斷電后,因為PLC上的RAM電源端接有充電電容,即使把電池去掉,電容上充電電量也足夠RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)保持一段時間,所以如果取掉電池后在5 min內(nèi)將新電池?fù)Q上,數(shù)據(jù)是不會丟失的[5]。

2)下載源程序。在Rslinx通訊軟件成功掃描到PLC的基礎(chǔ)上,通過Rslogix500編程軟件打開源程序文件,點擊控制器屬性→控制器通訊→Who active,找到Rslinx軟件里的PLC,點擊確定后返回控制器通訊界面,點擊“應(yīng)用”即可。

點擊Rslogix500軟件上方菜單欄里的通訊→下載,將設(shè)備PLC源程序下載成功后PLC恢復(fù)正常運(yùn)行,觸摸屏數(shù)據(jù)正常顯示,觸摸屏控制功能恢復(fù),此故障消除。

3 結(jié)論

1)真空爐的維修工作,不僅要注意常規(guī)及易損備件的儲備,特別要注意的是對其配置的儀表、PLC、觸摸屏和PC進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)備份。

2)儀表需進(jìn)行重要參數(shù)抄錄,PLC及觸摸屏需要使用對應(yīng)的調(diào)試軟件進(jìn)行程序備份,PC可進(jìn)行硬盤Ghost備份。

3)對于真空爐的加工零件變色問題,影響因素較多,維修周期較長,一定要從各方面逐一排查,找到根本原因。