Технологическое оборудование для реализации национальных программ по авиастроению, судостроению, сверхпроводникам и нанотехнологиям (примеры автоматизации на базе контроллеров DirectLogic)

Приоритетными задачами научно-технического развития России являются дальнейшее развитие авиастроения (программа SSJ-100, двигатель пятого поколения), сверхпроводников (производство высокопрочных высокоэлектропроводных Cu-Nb проводов), судостроения (освоение новых образцов морской техники и освоение районов Крайнего Севера), нанотехнологий. Программа создания и развития на территории России современного производства для указанных направлений - стратегическая задача развития страны.

В рамках перечисленных направлений актуально стоит задача создания нового специализированного оборудования для решения следующих технологических задач, стоящих перед современным материаловедением:

• получение наноструктурных электротехнических проводов с высоким сочетанием прочности и электропроводности;  
• разработка технологии создания неразъемных соединений наноструктурных материалов, которые обеспечили бы сохранение в зоне соединения исходной наноструктуры;
• создание новых жаропрочных и коррозионностойких материалов, методов их получения с целью формирования стабильной структуры, фазового состава и улучшения физико-химических свойств лопаток морских газотурбинных двигателей;
• создание производства сферических гранул химически активных металлов (титан, цирконий, ниобий, тантал, сплавов на их основе, интерметаллидов) для корпусных конструкций, оборудования и систем перспективной морской техники.

ОАО «Электромеханика» предлагает специализированное оборудование для решения следующих технологических задач:

1. Плавка титановых сплавов и других тугоплавких металлов в вакууме методом расходуемого электрода.

Для современного машиностроения характерно всё более широкое применение элементов конструкций из тугоплавких металлов, изготовленных методом фасонного литья в плавильных установках, в частности, вакуумных дуговых печах. Повышающиеся требования к качеству выплавляемого металла, его механическим свойствам, снижению энергоёмкости плавки, безопасности технологического процесса и оборудования делают работу по модернизации вакуумных дуговых печей особенно актуальной.

Важным этапом стал переход от графитовых к медным тиглям. Это позволило:

• повысить температуру сливаемого металла для получения тонкостенных крупногабаритных отливок;
• исключить загрязнение металла углеродом;
• сократить время охлаждения плавильной установки на 15-25 минут за счет малой массы гарнисажа и интенсивного охлаждения;
• упростить переход с одного сплава на другой путем замены гарнисажа;
• вовлекать в процесс все кондиционные отходы.

Для решения перечисленных задач разработана установка «833 ДМ», удовлетворяющая современным требованиям.

В настоящее время выработан новый подход к проектированию вакуумных дуговых установок, который, базируясь на проверенных в производственных условиях технических решениях, предусматривает изменения конструкции установки, вакуумной системы, системы охлаждения и АСУ ТП.

Схема управления процессом вакуумной дуговой плавки

Современная система управления дуговой установки, построенная на базе промышленного компьютера и программируемого контроллера DL205, обеспечивает возможность проведения процесса в автоматическом режиме и, следовательно, гарантирует высокую повторяемость результатов плавки.

Модуль диагностики и прогнозирования процесса дуговой плавки обеспечивает выполнение блокировок, переход установки в безопасное состояние при возникновении аварийных ситуаций: отказе системы охлаждения, отклонении температуры от допустимых значений, неправильных действиях оператора.

2. Промышленное освоение технологии производства высокопрочных высокоэлектропроводных Cu-Nb проводов.

Вакуумная дуговая печь «ВДП-12,5Р» предназначена для производства высокопрочных электропроводных Cu-Nb проводов круглого и прямоугольного поперечных сечений в широком диапазоне размеров (диаметром от 0,05 до 4 х 6 мм) с регулируемым сочетанием прочностных и электропроводящих свойств (от уровня прочности 800-900 МПа при электропроводности 80-85% от электропроводности высокочистой меди до 1100-1500 МПа при электропроводности 50-70% от электропроводности меди).

«ВДП-12,5Р» обеспечивает получение слитков из сплавов-композитов типа Cu-Nb, Cu-V и других методом сплавления расходуемого электрода электрической дугой в глуходонный кристаллизатор.

Система управления установки «ВДП-12,5Р», построенная на базе программируемого логического контроллера DirectLogic, выполняет следующие функции:

• управление работой вакуумной системы в автоматическом, ручном и наладочном режимах;
• поддержание с высокой точностью основных параметров процесса вакуумной дуговой плавки: напряжение на дуге, ток дуги, скорость вертикального перемещения электрода;
• автоматическое измерение натекания рабочей камеры;
• возможность регистрации параметров процесса плавки и архивирования результатов.

3. Диффузионная сварка различных конструкционных материалов, в том числе материалов с наноструктурным состояние

Важным препятствием на пути широкого внедрения конструкционных материалов с наноструктурным состоянием является отсутствие эффективных методов их сварки, что на сегодняшний день не позволяет в полной мере реализовать уникальные свойства таких материалов в реальных конструкциях.

Традиционно в производстве изделий из разнородных материалов предпочтение отдается традиционным методам получения неразъемных соединений: аргонодуговой и электроннолучевой сварке, пайке, склеиванию, заливке компаундами и герметиками и т.п. Однако, не все металлы и сплавы имеют способность к бездефектному взаимодействию из-за взаимной металлургической несовместимости. Перечисленные способы не всегда обеспечивают механическую прочность, стабильность работы конструкций в экстремальных условиях.

Сварка плавлением не применима для материалов, упрочненных армирующей фазой или нерастворимыми дисперсными включениями тугоплавких соединений, так как при расплавлении матрицы происходят необратимые процессы, связанные с нарушением распределения и коагуляцией упрочняющей фазы. Решить данную задачу могут установки диффузионной сварки.

Сварка в вакууме предохраняет соединяемые детали от окисления. Диффузионная сварка происходит за счет взаимной диффузии атомов соединяемых деталей. Одной из основных причин, сдерживающих широкое внедрение процесса диффузионной сварки в промышленное производство, является низкая производительность специализированного оборудования.

Разработана и изготовлена установка нового поколения «УДС-1» для диффузионной сварки в вакууме. Она состоит из главной рабочей камеры объемом 0,4 м³ (диаметр 1 мм, высота 0,5 м). Источником нагрева свариваемого изделия является нагреватель, изготовленный из ниобия. Сжимающее усилие на свариваемые детали передается от электромеханической системы.

Установка оснащена компьютерной системой управления, обеспечивающей в автоматическом режиме управление процессом подготовки вакуума, программное управление процессом сварки, автоматический контроль основных параметров режима сварки, распечатку технологического паспорта сварки.

Электрический шкаф системы управления включает программируемый контроллер DL-205, электрическую автоматику для управления элементами вакуумной системы – автоматы и пускатели для управления клапанами, насосами. Основная составляющая электрического шкафа системы управления – контроллер DirectLogic 205.

Аппаратные средства СУ позволяют реализовать закон автоматического регулирования температурой с программируемым участком нарастания и спада температуры, усилия, поворота планшайбы.

4. Разработка новых жаропрочных и коррозионностойких материалов, методов их получения с целью формирования стабильной структуры, фазового состава и улучшения физико-химических свойств лопаток морских газотурбинных двигателей (ГТД).

Следующая задача – совершенствование установок направленной кристаллизации для получения новых жаропрочных и коррозионностойких материалов, применяемых для лопаток высокотемпературных ступеней двигателей.

Решение этой задачи: создание естественных композиционных материалов, когда композиционная структура, представляющая собой жаростойкую и коррозионностойкую матрицу и упрочняющую фазу, например, в виде параллельно вытянутых волокон (нитей) или пластин, формируется одновременно в процессе кристаллизации. Такие естественные композиционные материалы могут быть созданы на основе эвтектических сплавов, получаемых методом направленной кристаллизации.

Особенностью эвтектических сплавов являются одновременная кристаллизация при охлаждении расплава двух (или больше) фаз в том случае, если состав сплава соответствует так называемой эвтектической точке на диаграмме состояния двойных (или больше) металлических систем.

Система управления вакуумной литейной установки «ВИП НК» включает три ПЛК семейства DL-205 с процессором D2-260.

Обмен между контроллерами Direct logic осуществляется по протоколу DirectNET через сетевой порт 2 процессорных модулей.

Организация связей обеспечивает взаимодействие между следующими элементами СУ:

• промышленным компьютером и сетью ПЛК;
• ПЛК №1, ПЛК №2 и ПЛК №3;
• ПЛК №1 и элементами вакуумной подсистемы;
• ПЛК №2 и приводами перемещения форм;
• ПЛК №3 и подсистемой нагрева.

Основными технологическими параметрами управления процесса вакуумного литья являются:

• температура верхней и нижней зон печи подогрева форм;
• температура заливаемого в форму расплава;
• скорость заполнения формы изделия;
• скорость перемещения формы из зоны нагрева в зону охлаждения;
• градиент температур на фронте роста;
• высота твёрдожидкой зоны;
• степень вакуума рабочей, шлюзовой и загрузочной камер.

5.   Индукционная плавка с холодным тиглем титановых сплавов

Цель проекта – создание вакуумной индукционной печи с холодным тиглем, обеспечивающей высокую чистоты плавки, для последующего производства сферических гранул химически активных металлов.

Технико-экономический эффект от внедрения индукционной печи с холодным тиглем достигается за счет:

• высокой степени чистоты плавки;
• интенсивного перемешивания металла в тигле;
• возможности оперативного введения легирующих элементов в процессе плавки;
• равномерного перегрева расплавленного металла обеспечивает заливку изделий с толщиной менее 1,5 мм;
• гибкости в выборе шихты.

Классификация вакуумных индукционных плавильных установок с холодным тиглем

6. Производство гранул на более высоком качественном уровне крупностью менее 100 мкм, способных обеспечить более высокий уровень механических свойств заготовок ответственного назначения.

Установка «УЦР-6» предназначена для плазменной плавки и центробежного распыления быстровращающейся литой заготовки на гранулы и служит в качестве головного оборудования линии по производству заготовок дисков и валов методом металлургии гранул.

К основным задачам создания установки «УЦР-6» можно отнести:

• получение гранул из жаропрочных никелевых сплавов с крупностью менее 100 мкм;
• оснащение установки современными средствами электрического привода, управления и автоматизации, обеспечивающими надежную эксплуатацию, высокое качество продукции и комфортные условия труда персонала;
• оснащение установки современным плазмотроном и источником питания.

Управление осуществляется автоматизированной системой, реализуемой на базе ПЛК и программируемого терминала оператора.

АСУ, в соответствии с программой пользователя, выполняет следующие задачи:

• сбор и ввод в ПЛК информации от датчиков технологических параметров систем установки и датчиков состояния различных частей оборудования;
• установку заданных цифровых значений регулируемых параметров с монитора оператора и воспроизведение на мониторе цифровой информации по каждому из контролируемых датчиков;
• представление на экране монитора графических объектов (мнемосхем) и функциональных объектов, позволяющих оператору менять режимы управления и непосредственно с монитора вмешиваться в работу АСУ, корректируя течение процесса распыления;
• подготовку установки к работе, включая контроль формирования вакуума, проверку натекания, контроль давления газа при заполнении камеры, контроль за температурой охлаждающей воды, диагностику состояния исполнительных механизмов.