Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет и проектирование механизмов и систем технологического оборудования расчет и проектирование вакуумных систем. Курс лекций.pdf
глубина вакуума, согласно которому оборудование
разделяют на низко-, средне- и высоковакуумное (уровень В);
форма вакуумной камеры (уровень Г);
вид физико-химического или технологического процесса –
обработка давлением, металлургическое производство, термическая
обработка и нагрев, производство полупроводниковых материалов,
диффузионная сварка (уровень Д) и т.д.
Схема классификации вакуумного оборудования,
приведенная на рис. 2.1, носит универсальный характер, так как она
охватывает всю гамму известных технических решений; в то же
время при необходимости схема может быть уточнена как в
результате удаления любого уровня, так и путем введения
дополнительных уровней и слоев, учитывающих другие
квалификационные признаки. Например, уровень Д1 может быть
дополнительно разделен на слои, что позволяет более детально
конкретизировать класс вакуумного оборудования: Д11 – прокатное,
Д12 – волочильное, Д13 – прессовое и др.
В соответствии с предложенной классификацией любое
вакуумное оборудование может быть отнесено к определенному
классу и обозначено буквенно-цифровым кодом. Например, модуль
деформирования и сварки, используемый при производстве
биметаллической проволоки, относится к классу А1Б1В3Г2Д1. Это
обозначение расшифровывается следующим образом: оборудование
имеет технологическое назначение (А1), является оборудованием
непрерывного действия (Б1), работает в условиях высокого вакуума
(В3), вакуумная камера выполнена в виде коробчатой конструкции
(Г2), в которой расположено деформирующее устройство (Д1).
Такая схема классификации позволяет реализовать методику
проектирования вакуумного оборудования, используемого в
процессе производства прецизионных композиционных
металлических материалов, основывающуюся на формировании
типовых технологических решений и выборе типов машин и
агрегатов из соответствующих баз данных.
Важным элементом вакуумного оборудования является
рабочая вакуумная камера, от надежности которой во многом
зависит эффективность работы технологических линий и агрегатов.
50
Рис. 2.1. Схема классификации вакуумного оборудования
51
Основные требования, предъявляемые к конструкции
вакуумных камер, сводятся к следующему.
• Обеспечение и поддержание заданных параметров
технологического процесса – давления, температуры, динамики
процесса.
• Достижение требуемой глубины вакуума в течение
заданного времени.
• Минимальный объем камеры, достаточный для
размещения теплового узла, технологической оснастки,
обрабатываемого материала и изделий.
• Удобный доступ во внутреннее пространство и
возможность быстрой загрузки и выгрузки материалов и изделий.
• Теплоизоляция внутреннего объема и наличие охлаждения
нагреваемых элементов конструкции.
• Прочность, формоустойчивость и жесткость всех элементов
с учетом термических воздействий.
• Герметичность всех разъемных и неразъемных соединений,
свободный доступ ко всем сварным швам и уплотнительным
соединениям для контроля их герметичности и устранения
обнаруженной течи.
• Изготовление и монтаж камеры должны удовлетворять
требованиям вакуумной гигиены и технологии.
Анализ данных, приведенных в литературных источниках,
показал, что вакуумные камеры для технологического оборудования
можно классифицировать следующим образом.
По назначению – универсальные, специальные и уникальные:
– универсальные камеры дают возможность проводить
разнообразные технологические процессы путем установки в них
соответствующего оборудования;
– специальные камеры предназначены для осуществления
только одного типового технологического процесса, например,
диффузионной сварки, ионно-плазменной обработки, выращивания
монокристаллов по методу Чохральского и др.;
– к уникальным относят камеры в единичного исполнения
для проведения научно-исследовательских работ с использованием
пилотных установок.
52
По глубине вакуума – низко- и высоковакуумные, что
связано с необходимостью применения определенного вида
уплотнений и обеспечения устойчивости формы.
Рассмотрим основные типы вакуумных камер, применяемых
для размещения технологического оборудования при производстве
композиционных металлических материалов.
Назначение вакуумных камер для размещения оборудования
обработки давлением – герметизация рабочего пространства при
проведении операций пластической деформации в средах
контролируемого состава (вакуум, инертный газ и др.). По
функциональному назначению их можно разделить на 4 группы:
загрузочные, разгрузочные, нагревательные и рабочие (рис.2.2).
Рис. 2.2. Вакуумный прокатный стан 155: 1 – манипулятор, 2 – камера
загрузки; 3 – камера нагрева; 4 – проходная печь сопротивления;
5 – рабочая камера; 6 – валки; 7 – камера охлаждения и выгрузки;
8 – вакуумный затвор
Загрузочные камеры предназначены для загрузки и
накопления металла перед процессами пластического
деформирования – прокаткой, волочением, прессованием и др.
Загрузочные камеры, как правило, присоединяются к
нагревательным камерам через затвор. В камере может находиться
накопительная кассета для обеспечения непрерывности процесса.
Нагревательные камеры предназначены для нагрева металла,
поступающего из загрузочной камеры, и предназначенного для
последующей обработки давлением. По конструктивному
53
исполнению нагревательные камеры отличаются от загрузочных
камер наличием водяной рубашки охлаждения.
Наибольшее применение для нагрева и термической
обработки композиционных материалов получили вакуумные печи
сопротивления, благодаря универсальности их применения.
По режиму работы их можно разделить на печи
периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.
В зависимости от технологического процесса и условий
производства печи периодического и полунепрерывного действия
бывают камерными, шахтными, колпаковыми, элеваторными и др.
Печи непрерывного действия могут быть протяжными,
толкательными, тоннельными, с шагающим подом и др.
В технологических линиях для производства
композиционных металлических материалов наиболее перспективно
применение вакуумных нагревательных печей непрерывного
действия. Они обычно включают в себя шлюзовые камеры
(загрузочную и разгрузочную); камеры нагрева и охлаждения;
систему устройств для перемещения материала в печи и откачную
систему (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Схема толкательной вакуумной печи непрерывного
действия: 1 – загрузочный стол; 2 – разгрузочный стол; 3 – толкатель;
4 – таскатель; 5 – загрузочный шлюз; 6 – разгрузочный шлюз;
7 – нагревательная камера; 8 – поддон; 9 – холодильная камера
В зависимости от пар соединяемых материалов и
конструкции изготовляемых деталей процесс диффузионной сварки
может быть осуществлен с помощью промышленных вакуумных
печей, газостатов, прессов или специальных установок для
диффузионной сварки.
54
Установки для диффузионной сварки классифицируют
следующим образом:
по назначению – универсальные и специальные;
по числу позиций – однопозиционные и многопозиционные;
по степени вакуума;
по способу нагрева и создания усилия сжатия деталей.
Основными элементами установки для диффузионной сварки
являются: вакуумная рабочая камера; вакуумная система для
создания необходимого остаточного давления в рабочей камере;
системы нагрева и сжатия. Например, в установке СДВУ-21 для
диффузионной сварки в вакууме проволоки диаметром 3 … 6 мм
неограниченной длины (рис. 2.4) вакуумная камера состоит из
верхней 2 и нижней 3 крышек и имеет коробчатую форму. В камере
достигается рабочий вакуум порядка 10
–2
Па.
Рис. 2.4. Установка для сварки проволоки с локальным вакуумом:
1 – подвижный зажим; 2 – верхняя крышка; 3 – нижняя крышка;
4 – индикатор; 5 – неподвижный зажим; 6 – фотопирометр;
7 – паромаслянный насос; 8 – электродвигатель; 9, 13 – вакуумные
вентили; 10 – форвакуумный насос; 11, 12 – вакуумпроводы
При производстве композиционных материалов из металлов с
низкой диссоциацией оксидов (Ti, Zr, Nb, Ta, V и др.) для создания
безокислительных условий высокотемпературной деформации
55
необходим сверхвысокий вакуум. Сверхвысокий вакуум необходим
также для исследования фундаментальных физико-химических
явлений, происходящих в высокотемпературной плазме, на поверхности
металлов, для осуществления разнообразных технологических
процессов, таких, как плавка и термическая обработка особо чистых
материалов, электронно-лучевая и диффузионная сварка и др. Важной
областью промышленного применения сверхвысокого вакуума стало
выращивание и синтез особо чистых монокристаллов с применением
прецизионного контроля за составом и остаточным давлением газовой
среды. Это приобретает особое значение в связи с тенденцией
применения неметаллических сверхтвердых конструкционных
материалов – керамики, монокристаллов – для изготовления
технологического (деформирующего) инструмента.
Одной из основных проблем при использовании
сверхвысокого вакуума является необходимость обезгаживания
внутренних стенок рабочей камеры и вакуумной арматуры путем
достаточно длительного их прогревания при температуре
400°… 450 °С. Такие температуры могут выдержать только
уплотнения, в которых используются металлические прокладки,
например, из меди или алюминия.
Практика эксплуатации сверхвысоковакуумных установок
показывает, что работа с металлическими прокладками
сопровождается определенными неудобствами, особенно при
необходимости частого открывания рабочей камеры, когда
неизбежна разборка и сборка большого количества резьбовых
соединений. Поскольку даже незначительные перекосы или дефекты
прокладок приводят к нарушению герметичности вакуумного
соединения, то после каждого открывания рабочей камеры
приходится делать тщательную ревизию уплотнения, менять
металлические прокладки, получившие остаточные пластические
деформации, и проверять надежность собранного уплотнения при
помощи чувствительных течеискателей.
В значительной мере данная проблема решается при
использовании сверхвысоковакуумных установок, выполненных по
принципу «вакуум в вакууме». К достоинству подобной конструкции
можно отнести возможность быстрого уплотнения внутренней
сверхвысоковакуумной камеры с помощью хорошо подогнанных
фланцев без использования металлических прокладок. Недостатком
подобной схемы является конструктивная сложность установки и
56
связанные с этим неудобства при ее техническом обслуживании и
ремонте. Кроме того, отсутствие прямого доступа во внутреннюю
камеру затрудняет проведение измерений технологических параметров
процесса. К тому же такая конструкция требует сравнительно большого
расхода дорогостоящих вакуумных конструкционных материалов.
На рис. 2.5 представлена конструкция универсальной
сверхвысоковакуумной установки, которая предназначена для
проведения технологических операций в вакууме или газовой среде
контролируемого состава. Предельное остаточное давление в рабочей
камере составляет 10
–6
... 10–7 Па, а температура в рабочей зоне
достигает 2000°... 2300 °С. Особенностью этой установки является
быстро уплотняемый люк, применение которого позволяет существенно
снизить трудоемкость и продолжительность процесса сборки –
разборки вакуумного уплотнения.
Рис. 2.5. Сверхвысоковакуумная камера с быстроуплотняемым
люком: 1 – рабочая камера; 2 – загрузочно-разгрузочный люк; 3 –
внутренний фланец; 4 – наружный фланец
57
Установка содержит одну рабочую камеру 1, в которой все
уплотнения сделаны по типу «конфлат». Загрузочно-разгрузочный
люк 2 выполнен по принципу «вакуум в вакууме» и состоит из двух
уплотнительных фланцев: внутреннего 3 – для герметизации
основного вакуумного объема рабочей камеры, и наружного 4 – для
герметизации промежуточного вакуумного объема, расположенного
между люком и камерой. Благодаря тому, что внутренний фланец
имеет возможность осевого перемещения относительно наружного,
обеспечивается возможность регулирования усилия прижатия
внутреннего фланца к корпусу камеры при закрытом (уплотненном)
наружном фланце.
Для герметизации рабочей камеры от промежуточного
вакуума применены диффузионно-щелевые уплотнения, которые
образованы двумя фланцами рабочей камеры с тщательно
обработанными контактирующими поверхностями и обеспечивают
перепад давлений на 2 ... 3 порядка при размерах фланцев до 500 мм
и величине диффузионного зазора до 0,05 мм. Для внешней
герметизации загрузочного люка применены уплотнения из
вакуумной резины.
Конструкция рабочей камеры универсальной сверхвакуумной
установки дает возможность ее быстрой разгерметизации без
использования металлических прокладок в разъемных соединениях, что в
2 – 3 раза ускоряет операцию загрузки – разгрузки. Установка удобна в
эксплуатации, так как обеспечивает хороший доступ к любым
уплотнительным узлам и возможность проведения измерений
технологических параметров и наблюдения за технологическим
процессом традиционными способами. По сравнению с известными
установками, выполненными по принципу «вакуум в вакууме»,
количество нержавеющей стали, идущей на изготовление такой рабочей
камеры, сокращается в 1,5 ... 1,8 раза. После замены отдельных узлов
установка может быть использована для проведения различных
технологических процессов производства композиционных материалов:
диффузионной сварки; прессования; создания рабочих поверхностей с
заданным комплексом физико-механических свойств и др.
58
2.2. Функциональная схема работы и
объектно-ориентированная модель
вакуумной системы
Под вакуумной системой понимают совокупность
взаимосвязанных устройств, предназначенных для создания,
повышения и поддержания вакуума; приборов для вакуумных
измерений; откачиваемых сосудов и трубопроводов.
На рис. 2.6 приведена обобщенная функциональная схема
работы вакуумной системы технологического оборудования для
получения композиционного материала. Она включает несколько
функциональных блоков, обеспечивающих выполнение основных
технологических операций: герметизацию рабочего пространства,
вакуумирование рабочей зоны, создание среды заданного состава.
Рис. 2.6. Функциональная схема работы вакуумной системы
технологического оборудования
59