真空炉典型故障案例分析

江智轩,丁章升,马旭德,邵 锦

(昌河飞机工业(集团)有限责任公司,江西 景德镇 333002)

真空热处理生产零件具有无氧化、变形小、表面质量好和使用寿命长等优点[1]。目前真空热处理炉已广泛应用于机械制造领域,但真空热处理炉较传统热处理炉在机械和电气结构方面要复杂的多,同时包含了真空抽气系统、真空加热及绝热、真空密封、真空冷却、真空电绝缘和真空温度控制等核心关键技术。但由于真空炉配置了上位机、触摸屏和PLC等元件,自动化程序较高,从而导致故障率和检修难度也比传统热处理炉高。

1 真空炉加工零件变色故障

1.1 故障现象

某立式真空高压气淬炉在加工钛合金、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti及有效厚度小于2.5 mm的不锈钢材料时,其表面呈绿色、灰黄色,失去金属本色,表面所产生的物质会对零件力学性能产生影响。

1.2 故障分析

真空热处理零件变色是真空炉在使用过程中的典型问题之一,表面变色物质常为氧化物。造成此问题的可能原因有以下几点:

1)真空泄漏。压升率超标(一般要求≤0.67 Pa/h)。

2)炉膛污染。由于长时间使用,炉膛积累了过多的油污,在加热生产过程中油脂挥发或分解,影响炉内气氛,从而造成工件表面氧化变色。

3)冷却气体氩气纯度不够或冷却管道/接头处有微小漏点[2]。在保温结束进行快速冷却时,大量的氩气瞬间进入炉膛进行冷却,若氩气纯度不够或者冷却管道有微小漏点,均有可能在冷却时将外部大气的氧气带入炉膛,造成工件表面瞬间变色。

4)真空系统抽气效率不够。在加热过程中,不锈钢材料中原子发生挥发(高于760 ℃较为明显),若抽气效率不够,则会造成真空值有小幅度的上升,从而导致真空度不满足零件真空热处理要求而氧化变色。

5)炉膛内漏水。若炉膛顶部热交换器或冷却水管路接头处有微小漏点,在加热过程中水在真空下持续挥发,并在高温下与零件表面反应,使零件发生氧化[3]。但漏水往往会造成真空值的波动,从真空值的变化可以反映出来。

1.3 故障处理

针对以上故障分析,按下述步骤逐条排查:

1)进行压升率测试。测试方法为先烘炉至设备最高使用温度1150 ℃保温2 h,炉冷至65 ℃,关闭各真空阀门、真空泵组后开始记录真空值数据的变化,每30 min记录一次,测得压升率为0.29 Pa/h。这说明设备真空密封性能良好,满足标准使用要求,排除泄漏可能。

2)对炉膛油污进行清洁。清洁炉膛后,再次进行零件加工试验,发现零件仍变色严重,如图1所示。

图1 炉膛清洁前、后

3)针对氩气不纯及管道泄漏的可能,进行工件加工随炉冷试验。保温结束后不充氩气,炉冷至室温后发现工件依旧变色严重,故可排除氩气不纯及管道泄漏可能。

4)针对真空系统抽气效率不足的可能。此设备配置的机械泵及罗茨泵组合为Edwards“412J+615”经典组合,开启机械泵及罗茨泵抽真空30 min后,炉膛真空度为50～60 mtorr,虽然满足真空加热条件(≤70 mtorr),但根据所抽腔体容积及泵的资料计算(机械泵极限真空为25 mtorr,结合罗茨泵应理论上可以达到10 mtorr以内),此抽真空效率明显偏慢、极限真空度明显偏高。该真空泵组合随设备安装使用至今,运行已达到15年以上,初步判断其机械泵内部轴承、滑阀、划片、相关密封元件以及罗茨泵内部相关部件均出现不同程度的磨损,影响了其极限真空度及抽真空效率。因此,更换机械泵与罗茨泵再次进行抽真空测试, 抽真空15 min后炉膛真空度可达到19 mtorr,极限真空度得到明显改善。零件表面无变色现象,如图2所示,此问题得到解决。

图2 零件表面无变色

2 真空炉触摸屏无数据显示故障

2.1 故障现象

真空炉设备通电后,触摸屏面板上的温度和真空数据显示为0 ℃和0 mtorr,同时通过触摸屏无法控制设备运行。该设备使用罗克韦尔(AB)1747型PLC,触摸屏通过网线采集PLC中的相关数据并显示。现场检查发现 AB PLC中的CPU模块FLT红灯闪烁、BATT红灯常亮,提示PLC运行故障,电池耗尽,PLC输入点位显示正常,无任何输出点位动作,如图3所示。

图3 PLC运行故障

2.2 故障分析

观察PLC故障状态,发现FLT指示灯在上电过程中与上电后都处于闪烁状态,分别代表处理器没有被组态,在处理器、扩展框架或存储器中检测到一个主要错误。BATT红灯常量代表电池耗尽,而电池没电则可能导致PLC程序丢失。

结合PLC状态指示灯故障指示、无任何输出点位动作,基本确认PLC程序丢失,PLC内部无任何硬件组态,设备传感器信号数据无法进行数模转换处理,同时与触摸屏通讯异常,从而导致触摸屏无任何数据显示。

2.3 故障原因确认及处理

2.3.1故障原因确认

该设备使用AB-1747型PLC,对应使用的编程软件为Rslogix500,通讯软件为Rslinx,通讯线缆可用RS232-USB线缆或普通网线[4],通过软件连接PLC查看状态确认故障原因。使用网线进行PLC通讯,具体步骤如下:

1)确定PLC的IP地址。在触摸屏上电过程中,发现触摸屏会显示出触摸屏自身的IP地址为170.20.1.2,而PLC肯定与触摸屏处在同一网段170.20.1.xx,故需要将PC端的IP地址也设置在同一网段,如170.20.1.99。

2)拔出PLC连接触摸屏的网线,新增一根网线,一端连接PLC,一端连接PC。打开Rslinx软件,communication-configure Drivers进行添加通讯方式,选择EtherNet/IP Driver,进行Add New添加。

3)驱动配置里选择Browse Local Subnet浏览本地网络,选择与控制器联机的网卡,点击确定。

4)参数设置完成后,点开AB-ETHIP-1前面的“+”号,软件显示“AB 1747-L552”已经扫到,说明PC与PLC已经成功通讯。

5)打开RSlogix500编程软件进行程序上载,出现错误代码0001h,报警提示:检测到一个被破坏的CRC校验(电池丢失可能导致),或者在用户程序下载时重启电源,初始化内存,无法上线或者从缺失的处理器上载,只能执行下载。确认程序丢失。

2.3.2故障处理

1)更换PLC电池。在断电状态下拔出PLC中的CPU模块,更换内部的3.6 V锂电池。PLC在断电后,因为PLC上的RAM电源端接有充电电容,即使把电池去掉,电容上充电电量也足够RAM内的数据保持一段时间,所以如果取掉电池后在5 min内将新电池换上,数据是不会丢失的[5]。

2)下载源程序。在Rslinx通讯软件成功扫描到PLC的基础上,通过Rslogix500编程软件打开源程序文件,点击控制器属性→控制器通讯→Who active,找到Rslinx软件里的PLC,点击确定后返回控制器通讯界面,点击“应用”即可。

点击Rslogix500软件上方菜单栏里的通讯→下载,将设备PLC源程序下载成功后PLC恢复正常运行,触摸屏数据正常显示,触摸屏控制功能恢复,此故障消除。

3 结论

1)真空炉的维修工作,不仅要注意常规及易损备件的储备,特别要注意的是对其配置的仪表、PLC、触摸屏和PC进行相关数据备份。

2)仪表需进行重要参数抄录,PLC及触摸屏需要使用对应的调试软件进行程序备份,PC可进行硬盘Ghost备份。

3)对于真空炉的加工零件变色问题,影响因素较多,维修周期较长,一定要从各方面逐一排查,找到根本原因。