DE3123214C2

DE3123214C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer chemisch-thermischen Behandlung von Werkstücken in einer Glimmentladung

Info

Publication number: DE3123214C2
Application number: DE19813123214
Authority: DE
Inventors: Evgenij Leizerovi&ccaron; Agres; Anatolij Gdal'evi&ccaron; Ajzen&scaron;tejn; Viktor Nikolaevi&ccaron; Dedovsk Moskovskaja oblast' Blinov; Vladimir Vasil'evi&ccaron; Kiri&ccaron;enko; Igor' Afanas'evi&ccaron; Kozlovskij; Nina Emel'janovna Sizova; Viktor Vasil'evi&ccaron; Istra Moskovskaja oblast' Solomadin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-06-05
Filing date: 1981-06-11
Publication date: 1983-12-22
Also published as: GB2100023A; GB2100023B; FR2508231B1; FR2508231A1; DE3123214A1

Abstract

Das Verfahren zum Steuern einer chemisch-thermischen Behandlung in einer Glimmentladung besteht darin, daß man die Temperatur der zu behandelnden Werkstücke (4), die Änderungsgeschwindigkeit dieser Temperatur und die Lichtbogenbildungsfrequenz mißt, die gemessenen Werte für diese Parameter mit vorgegebenen Sollwerten vergleicht, Abweichungssignale für Temperatur-, Temperaturänderungsgeschwindigkeit- und Lichtbogenbildungsfrequenz erhält und aufgrund der erhaltenen Abweichungssignale ein Signal für die Steuerung der Glimmentladung bildet. Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält Geber (6, 7 bzw. 10) für Temperatur, Temperaturänderungsgeschwindigkeit und Lichtbogenbildungsfrequenz, die ausgangsseitig an Vergleichsglieder für Temperatur, Temperaturänderungsgeschwindigkeit bzw. Lichtbogenbildungsfrequenz angeschlossen und ausgangsseitig mit den zu behandelnden Werkstücken (4) und den Stromzuleitungen (2) der Entladungskammer (3) verbunden sind. Die Ausgänge der Vergleichsglieder (8, 9, 13) sind an die Eingänge von Reglern (14, 15 bzw. 16) für Temperatur, Temperaturänderungsgeschwindigkeit und Lichtbogenbildungsfrequenz angeschlossen, die mit einer Speisespannungsquelle (1) über einen Steuerteil (22) verbunden sind, an dessen Ausgang über die Speisespannungsquelle (1) Stromzuleitungen (2) einer Entladungskammer (3) und eines Spannungsgebers (12) angeschlossen sind, dessen Ausgang an die Eingänge des Gebers (10) für die Lichtbogenbildungsfrequenz und des Steuerteils

Description

Die Erfindung betrifft die thermische Bearbeitung von Werkstücken und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer chemisch-thermischen Bearbeitung von Werkstücken in einer Glimmentladung.

Die Erfindung eignet sich beispielsweise für die Steue- i rung des Bearbeitungsvorganges in Anlagen zur Ionennitrierhärtung von im Maschinenbau und in der Flugzeugtechnik verwendeten Erzeugnissen, um deren Festigkeit zu erhöhen.

Die chemisch-thsrmlsche Bearbeitung von Werkstük- m ken in einer Glimmentladung, insbesondere die Ionennitrierhärtung geschieht in zwei Stufen: 1) Reinigung der Werkstückoberfläche mit Hilfe der Kathodenzerstäubung und 2) Dirfusionssättigung der Werkstücke oder Halten derselben bei vorgegebener Temperatur. Um die Reinigung der Oberfläche von verschiedenen Verschmutzungen zu beschleunigen sowie eine über die Werkstückoberfläche gleichmäßige Vergütungsschicht, besonders bei legierten Stählen, zu erhalten, ist es zweckmäßig, die Kathodenzerstäubung bei einer Spannung durchzuführen, die die Arbeitsspannung überschreitet. Jedoch steht einer Kathodenzerstäubung bei erhöhter Spannung entgegen, daß die Glimmentladung oft in eine Lichtbogenentladung übergeht. Die Frequenz solcher Übergangsprozesse ist am Anfang der Behandlung um so höher je größer die Entladungsspannung ist. Überschreitet hierbei die Frequenz die Lichtbogenbildung den zulässigen Wert, so kann es zu Beschädigungen der Oberfläche der zu behandelnden Werkstücke kommen. Daher wird die Spannung bis zu dem Wert, bei dem die Kathodenzerstäubung jü durchgeführt wird, langsam erhöht, und zwar so, daß die Lichtbogenbildungsfrequenz den zulässigen Wert nicht überschreitei.

Außerdem findet während der Reinigung gleichzeitig eine Erhitzung der Werkstücke statt. Dabei darf die J5 Temperatur der Werkstücke und die Temperaturänderungsgeschwindigkeit vorgegebene Werte nicht überschreiten. Werden dies·: Bedingungen nicht eingehalten, so sind Verformungen der Werkslücke und eine Verschlechterung der Kenndaten der durch Nitrierung -»ο gehärteten Schicht möglich.

Aus der DL-PS 9 04 491 ist ein Steuerungsverfahren für den Bearbeitungs\ >rgang in der Glimmentladung bekannt, das einen um :rbrochen bzw. unsteten Durchfluß der Gasentladung .erwirklicht, wobei die Regelung « der Zeitparameter, die den unsteten Durchfluß der Entladung bewirken, z. B. der Zeitspannen oder die Frequenzen der Impulse der zugeführten Spannung automatisch, abhängig von der Temperatur der Werkstücke erfolgt. Das dort offenbarte Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die Amplitude der Spannungsimpulse und folglich auch die Frequenz der Lichtbogenbildung nicht geregelt werden können, wodurch beim Anlegen der Spannungsimpulse die Frequenz der Lichtbogenbildung unzulässige Werte erreichen kann, was zur Beschädigung der Erzeugnisse führt.

Aus der US-PS 39 14 575 ist eine Vorrichtung zur Steuerung des Bearbeitungsvorgangs in der Glimmentladung bekannt. In der die Frequenz der Lichtbogenbildung durch Vergrößerung der Impulszwischenräume der Spannungsimpulse der Speisung durch Einschalten einer zusätzlichen Induktivität in das ursprünglich einphasige Netz geregelt ist. Die genannte Vorrichtung kann jedoch nur bei Speisung vom einphasigen Netz angewendet werden und. obwohl sie die Verringerung der Frequenz der Lichtbogenbildung erreicht, erfolgt diese Regelung nicht automatisch, sondern bleibt eine Zufallsgröße.
Aus der DE-AS 2ft 06 39C ist ein Verfahren zur Steuerung einer chemisch-thermischen Behandlung in einer Glimmentladung bekannt, das darin besteht, daß die Temperatur der zu behandelnden Werkstücke und die Temperaturäiiderungsgeschwindigkeit gemessen wird, die gemessenen Werte mit vorgegebenen Sollwerten verglichen, Differenzsignale gebildet werden und aufgrund dieser Signale ein Signa! zur Steuerung der Glimmentladungsspannung gebildet wird.

Einer der Nachteile des genannten Verfahrens liegt darin, daß in vielen Fällen die Durchführung einer intensiven Kathodenzerstäubung nicht möglich ist. Dies hängt damit zusammen, daß die Erhitzungsgeschwindigkeit oder die Temperatur durch Änderung der Entladungsspannung geregelt wird. In diesem Fall kann es vorkommen, daß die zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Erhitzungsgeschwindigkeit oder der vorgegebenen Temperatur notwendige Spannungswert geringer ist als der zur Durchführung einer intensiven Kathodenzerstäubung erforderliche Spannungswert, was die Durchführung der intensiven Kathodenzerstäubung erschwert und damit die Bearbeitungsgüte der Werkstücke herabsetzt.

Ein weiterer Nachteil des Verfalnens der DE-AS 26 06 396 besteht darin, daß im Prozeß uer chemischthermischen Behandlung eines Werkstücks die Lichtbogenbildungsfrequenz nicht auf der vorgegebenen Höhe gehalten, sondern nur der Anstieg der Entladungsspannung bei jeder Lichtbogenbildung verkleinert wird. Darüber hinaus ist es bei diesem Steuerverfahren nicht möglich, die Temperaturänderungsgeschwindigkeit und die Lichtbogenbildungsfrequenz oder die Temperatur des zu behandelnden Werkstücks und die Lichtbogenbildungsfrequenz gleichzeitig auf den vorgegebenen Niveaus zu halten, weil in diesem Fall nur der Spannungswert der Entladung als Stellgröße zur Verfügung steht. Dieser Umstand führt zu einer verlängerten Zeitdauer für die chemisch-thermische Behandlung der Werkstücke.

Ferner ist aus der DE-AS 26 06 396 eine Vorrichtung zur Steuerung einer chemisch-thermischen Behandlung in einer Glimmentladung bekannt, die das oben beschriebene Verfahren anwendet.

Diese Vorrichtung enthält eine Speisespannungsquelle, die ar die Stromzuleilungen einer Entladungskammer angeschlossen ist, in der die zu behandelnden Werkstücke untergebracht sind und Geber für die Temperatur und die Temperaturänderungsgeschwindigkeit die über jeweilige Vergleichsglieder an eine Regeijinheit angeschlossen sind, die mit der Speisespannungsquelle verbunden ist. Dabei ist der Ausgang des Temperatur-Vergleichsgliedes mit dem Stelleingang des Temperaluränderungsgeschwindigkeits-Vergleichsgliedes verbunden, dessen Ausgang an die Regeleinheit angeschlossen ist, die einen PI-Regler mit großer Integrationszeitkonstante darstellt. Der andere Eingang dieses Reglers ist mit dem Lichtbotsenbildungsfrequenz-Geber verbunden.

Bei der aus der DE-AS 26 06 396 bekannten Vorrichtung wird, um die Parameter-Temperatur -ind deren Änderungsgeschwindigkeit zu regeln, ein und derselbe PI-Regler verwendet, und die Speisespannungsquelle ist als regelbare Spannungsquelle ausgeführt, deren Spannung einen ununterb ochenen Verlauf aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern einer chemisch-thermischen Bearbeitung von Werkstücken in einer Glimmeruladung und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu entwickeln, welche es gestatten, die Dauer des Vorganges der chemisch-thersi'.lscher. Bearbeitung bei Verbesserung der Bearbeitungsqualltat durch gleichzeitige Aufrechterhaltung des erforderlichen Niveaus für die Tempe-

raluründerungsgeschwlndlgkelt und der Llchtbogenbildungsfrequnez oder für Werkslücklemperalur und Llchtbogenblldungsfrequenz und durch eine verbesserte Regelung dieser Parameter die Durchführung einer Intensiven Kathodenzerstäubung zu verkürzen.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß bei einem Verfahren zum Steuern einer chemisch-thermischen Bearbeitung von Werkstücken In einer Glimmentladung die Temperatur der zu behandelnden Werkstücke und dean Änderungsgeschwindigkeit gemessen werden, die gemessenen Werte mit entsprechenden Sollwerten verglichen werden. Differenzsignale gebildet werden und aufgrund der erhaltenen Differenzsignale ein Signal für die Steuerung der Glimmentladungsspannung gebildet wird.

Gleichzeitig mit der Messung der Temperatur und deren Änderungsgcschwlndigkelt wird die Llchtbogenblldungsfrcquenz gemessen, der gemessene Frequenzwert mit einem Sollwert verglichen, ein Differenzsignal und ein SlTi-! für die von der Lich!bo"*jrib!!cluri^tlsfi'S"uer!2 abhängige Steuerung gebildet und dieses Steuersignal zur Regelung der Lichtbogenbildung verwendet.

Zur Gewährleistung einer intensiven Kathodenzerstäubung ist es zweckmäßig, vom Beginn des Bearbeitungsvorgangs bis zur Beendigung der Kathodenzerstäubung als Glimmentladungsspannung eine Impulsspannung mit einstellbaren Scheitel- und Mittelwerten zu verwenden und dabei zur Regelung der Temperatur und deren Anderungsgeschwlndlgkelt einen Mittelwert der Impulsspannung und zur Regelung der Llchtbogenblldungsfrequenz einen Scheltelwert der Spannungsinipulse heranzuziehen.

Um eine gleichzeitige und genauere Regelung von mindestens zwei Bearbeitungsparametern sicherzustellen und die Zeitdauer des Vorganges der eigentlichen Bearbeitung der Werkstücke zu verkürzen, ist es vorteilhaft, den Signalwcrt für die von der Frequenz der Lichtbogenbildung abhängige Steuerung mit dem Signalwert für die Temperatur oder deren Änderungsgeschwindigkeit abhängige Steuerung zu vergleichen und die Glimmentladungsspannung durch das Steuersignal zu steuern, das *o einem geringeren Wert der Glimmentladungsspannung entspricht.

Es ist welter zweckmäßig. Im Laufe des gesamten Bearbeitungsvorganges den Sollwert der Lichtbogenfrequenz mit zunehmender Temperatur des zu behandeln- *⁵ den Werkstücks zu vermindern.

Die Vorrichtung zum Steuern einer chemisch-thermischen Behandlung von Werkstücken mit einer Speisespannungsquelle, die an die Stromzuleitungen einer Entladungskammer mit darin untergebrachten zu bearbeiten- ^ä0 den Werkstücken angeschlossen ist, einem Werkstücktemperaturgeber, einem Temperaturänderungsgeschwlndigkeits-Geber. Vergleichsgliedern zum Vergleichen der Temperaturparameter mit den entsprechenden Sollwerten und einer Regeleinheit für Temperaturparameter, von denen die Temperaturparameter-Geber ausgangsseitig über die Vergleichsglieder an die Regeleinheit angeschlossen sind, die mit der Speisespannungsquelle elektrisch verbunden ist. ist gekennzeichnet durch einen Lichtbogenbildungsfrequenz-Geber, ein Glied zum Vergleichen der gemessenen Lichtbogenbildungsfrequenz mit einer Sollfrequenz, ein Steuerteil und ein Spannungsgeber vorgesehen sind und daß die Regeleinheit Temperatur-, Temperaturänderungsgeschwindigkeits- und Lichtbogenbildungsfrequenz-Regler enthält, wobei der Lichtbogenbildungsfrequenz-Geber mit dem Lichtbogenbildungsfrequenz-Regler über das jeweilige Vergleichsglied in Verbindung steht, während der Ausgang des Lichtbogenblldungsfrequenz-Reglers an einen der Eingänge des Steuerteils angeschlossen ist. dessen zwei andere Eingänge mit den Ausgängen der Temperatur- und Temperaturänderungsgeschwindigkelts-Regler. dessen weiterer Eingang mit dem Ausgang des Temperatur-Vergleichsgliedes In Verbindung steht und dessen letzter Eingang über den Spannungsgeber mit der Stromzuleitung elektrisch verbunden ist. wobei die Ausgänge des Steuerteils mit der Spelsespannungsquelle in elektrischer Verbindung stehen.

Vorteilhaft Ist es welter, im Steuerteil der Vorrichtung zwei Umschalter, ein Nullorgan, eine Schallung, die ein minimales Signal abtrennt, und eine Schaltung, die die Beendigung der Kathodenzerstäubung erfaßt, vorzusehen, wobei der Ausgang des Nullorgans an einen der Eingänge des einen Umschalters angeschlossen ist. dessen Ausgang mit einem der Eingänge des anderen Umschalters in Verbindung steht, dessen zweiter EIn- a-Anu »η den Aüs°iin^u der SchäUun⁰ zürn Feststellen d?^r Beendigung der Kathodenzerstäubung gelegt Ist und dessen einer Ausgang mit einem der Eingänge der Schaltung zum Abtrennen eines minimalen Signals in Verbindung steht, wobei die Eingänge des ersten Umschalters der Eingang des Nullorgans, der letzte Eingang der Schaltung ri:m Abtrennen eines minimalen Signals und der Eingang der Schaltung zum Feststellen der Beendigung der Kathodenzerstäubung als Eingänge des Steuerteils dienen, w -lhrend der zweite Ausgang des zweiten Umschalters und der Ausgang der Schaltung zum Abtrennen eines minimalen Signals als Ausgänge des Steuerteils dienen und die Schaltung zum Feststellen der Beendigung der Kathodenzerstäubung eiren Komparator, eine Bezugsspannungsquelle und einen Zeitzähler enthält, wobei ein Eingang des Komperaiors und dessen Ausgang an die Be/ugsspannuniisquelle bzw. den Eingang des Zeitzählers angeschlossen sind, während der andere Eingang des Komperators und der Ausgang des Zeitzählers als Eingang bzw. Ausgang der Schaltung zum Feststellen der Beendigung der Kathodenzerstäubung dienen.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen erläutert.
Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern einer chemisch-thermischen Bearbeitung;

Fig. 2 eine Blockschaltbild des Steuerteils der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 eine Ausführungsvariante der Schaltung, die die Beendigung der Kathodenzerstäubung erfaßt;

Fig. 4 ein Zeitdiagramm für den Temperaturverlauf des zu bearbeitenden Werkstücks und den VerUuf der Lichtbogenbildungsfrequenz;

Fig. 5 ein Zeitdiagramm für den Verlauf des Signals

für die von der Lichtbogenfrequenz abhängise Steuerung; Flg. 6 den seitlichen Verlauf des Signals für die von

der Temperatur und der Temperatiiränderungsgeschwindigkeit abhängige Steuerung;

Fig. 7 den zeitlichen Verlauf der Speisespannung.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung enthält eine Spelsespannungsquelle 1, deren Ausgänge an die Stromzuleitungen 2 einer Entladungskammer 3 angeschlossen sind, die zur Durchführung einer chemisch-thermischen Bearbeitung an Werkstücken 4 bestimmt ist. Die Wandung der Entladungskammer 3 bildet eine der Stromzuleitungen 2. Die Vorrichtung ist weiterhin mit einem Temperaturgeber 6 versehen, dessen Eingang mit einem zu bearbeitenden Werkstück 4 verbunden ist. Als Temperaturgeber 6 kann ein Thermopaar mit einem Verstärker ver-

wendel sein. Der Ausgang des Gebers 6 Ist an den Eingang eines I cniperaturiinderungsgeschwindigkelts-(Jebers 7 und den Eingang eines Temperatur-Verglelchsgliedes 8 gelegt. Der Ausgang des Gebers 7 ist an den Eingang eines Temperaiuranderungsgeschwlndigkeits-Vergleichsgliedes 9 angeschlossen. Die Vorrichtung weist einen Lichtbogenbildungsfrequenz-Geber 10 auf, an den die Ausgänge eines Stronigebers 11 und eines Entladungssp^,.nungsgebers 12 angeschaltet sind. Der Ausgang des Gebers 10 ist mit dem lilnnang eines Lichtbogenbildungsfrequenz-Vergleichsgliedcs 13 verbunden. Die anderen Hingänge der Verglcichsgllcdcr H, V, 13 empfangen elektrische Signale, die jeweils einem Sollwert für Temperatur. Temperaturänderungsgeschwindigkeit und Lichtbogenbildungsfrequenz entsprechen. Die Ausgänge der Vergleichsglieder 8, 9, 13 sind an die tlngiinge jeweiliger Regler 14, 15, 16 in einer Regeleinheit 17 von den Werten der Abwelchungsslgnale, die an den Ausgängen der Vergleichsglieder 8, 9. 13 auftreten, die Steuerung nach Temperatur, TeniperaiurunueiuMgsgeMriiWiiiuigkeii 2ö und Lichtbogenbildungsfrequenz bewirken. Die Ausgänge der Regler 14. 15, 16 und der Ausgang des Vergleichsgliedes 8 sind an die Eingänge 18. 19. 20, 21 eines Steuerteils 22 angeschaltet, dessen letzter Eingang 23 mit dem Ausgang des Spannungsgebers 12 In Verbindung stehi. Die Ausgänge 24, 25 des Steuertells 22 sind an die tingänge der Speisespannungsquelle 1 angeschlossen.

Der Steuerten 22 ist zur Steuerung des Scheitel- und des Mittelwertes der Speisespannung bestimmt.

In Flg. 2 ist ein Blockschema für den Steuerteil 22 JO gezeigt. Der Steuerteil 22 weist einen Umschalter 26 auf, der aus^angsseitig mit dem Eingang eines anderen Umschalters 27 verbunden Ist. Der andere Eingang des Umschalters 27 ist an den Ausgang 28 einer Schaltung 29. die die Beendigung der Kathodenzerstäubung erfaßt, angeschlossen. Ein Ausgang des Umschalters 27 liegt an einem Eingang einer Schaltung 30, die ein minimales Signü! -birsrsni. Ein Lin^o2üg des Umschalters 26 ist an den Ausgang eines Nullorgans 31 abgeschlossen. Die beiden übrigen Eingänge des Umschalters 26. der Eingang des Nullorgans 31. der letzte Eingang der Schaltung 30 und der Eingang der Schaltung 29 sind jeweils Eingänge 18. 19. 21, 22 und 23 des Steuertells 22. Der Ausgang des Umschalters 27 und der Ausgang der Schaltung 30 dienen als Ausgänge 25 bzw. 24 des Steuertells 22. Der Umschalter 26 sorgt für den Anschluß des Ausgangs eines der Regler 14 (Flg. 1) oder 15 an den Eingang des Umschalters 27 (Flg. 2). der den Ausgang eines dieser erwähnten Regler 14 (Flg. 1) oder 15 an den Eingan der Schaltung 30 (Flg. 2) oder unmittelbar an den Ausgang 25 des Steuerteils 22 abhängig vom Signal am Ausgang der Schaltung 29 legt. Die Schaltung 30 vergleicht Signale, die an Ihren Eingängen anliegen, und wählt das mit kleinerer Amplitude aus.

In Fig. 3 ist eine Ausföhrungsvariante für die Schaltung 29 dargestellt, die einen Komparator 32 aufweist, der ausgangseitig an den Eingang eines Zeltzählers 33 angeschlossen ist. Ein Eingang des Komparators 32 ist an eine Bezugsspannungsquelle 34 angeschaltet, während der andere Eingang des Komparators 32 der Eingang des Steuerteils 22 ist. Der Ausgang des Zeltzählers bildet den Ausgang 28 der Schaltung 29. Der Komparator 32 vergleicht den Speisespannungswert mit einem Spannungswert der Bezugsspannungsquelle 34, der einem Sollwert für die Entladungsspannung entspricht, erzeugt ein Ausloses'.gna! des Zeitzählers 33, der mit der Zählung der Zeltdauer der Kathodenzerstäubung beginnt, sobald am Ausgang des Komparators 32 ein Signal anliegt, und nach Abschluß der Kathodenzerstäubung ein Signal an den Eingang des Umschalters 27 (Flg. 2) abgibt.

In Fig. 4 bis 7 sind Zeitdiagramme gezeigt, die die Wirkungswelse der Einrichtung zum Steuern einer chemisch-thermischen Bearbeitung in lonennltrlererhärtungsöfen veranschaulichen.

Flg. 4 zeigt den Verlauf (ausgezogene Linie) der Temperatur Γ der zu bearbeitenden Werkstücke 4 (Flg. 1) und den Verlauf (gestrichelt) der Lichtbogenbildungsfrequenz (Flg. 4) In der Zelt. Entlang der Abszissenachse sind die Zelt / und entlang der Ordlnatenachse die Werte T. I und T_n aufgetragen. Der Ordlnatenwert T_n entspricht dem Sollwert für die Temperatur des zu bearbeitenden Werkstücks (Flg. I)

In Flg. 5 ist der Verlauf des Steuersignals U\ am Ausgang des Reglers 16 (Fig. 1) In Abhängigkeit von der Zelt dargestellt.

Fig. 6 zeigt den Verlauf (ausgezogene Linie) des Steuersignals Ui am Ausgang des Reglers 15 und den Verlauf igesiiiericii) uc5 Steuersignals {/'j am Ausgang des Temperatur-Reglers 14 abhängig von der Zeit.

In Fig. 7 Ist der zeitliche Ablauf der Speisespannung gezeigt, wobei durch eine ausgezogene Linie die Spannungsform und durch eine gestrichelte Linie mittlere, auf eine Perlode bezogene Spannungswerte angedeutet sind.

Der Ordlnatcnwert LU entsprLnl einem Speisespannungswert, bei dem eine intensive Kathodenzerstäubung auftritt.

Die auf der Abzissenachse liegenden Zeitpunkte /,, h, ti. it und f₅ ensprechen folgenden Vorgängen:

/ι: Die Erhitzungstemperatur erreicht einen Sollwert;
I₁: der Scheltelwert der Speisespannung erreicht den Wert Lt,

fj: Beginn der Impulspause;
/₄: die Kathodenzerstäubung ist beendet;
fs: Beginn der nächsten Lichtbogenbildung.

Mit r,., T; und τ» sind Parameter der Spelselmpulsspannung bezeichnet, und zwar: Pausendauer, Impulsdauer bzw. Perlodendauer des Impulszyklus.

Das Verfahren zum Steuern einer chemisch-thermischen Bearbeitung wird mit Hilfe der In Flg. 1, 2, 3 gezeigten Verrichtung In folgender Welse durchgeführt.

Zum Anfangszeltpunkt ι - 0 (Flg. 4 bis 7) wird an die Stromzuleitungen 2 (Flg. 1) der Entladungskammer 3 von der Quelle 1 eine Speisespannung angelegt, deren Wert zu diesem Zeltpunkt gleich dem Anfangswert U₀ (Flg. 7) Ist, der mit den Anfangswerten der an den Eingängen der Speisespannungsquelle 1 liegenden Steuersignale übereinstimmt. Am Anfang der Bearbeitung treten normalerweise Übergänge der Glimmentladung In eine Lichtbogenentladung auf. Die Löschung der Lichtbogenentladung wird durch eine schnelle kurzzeitige Herabsetzung der Speisespannung auf Null mit anschließendem Anlegen der Speisespannung nach einer Zeltspanne, die zur Deionisation der Entladungsstrecke ausreicht, sowie durch Herabsetzung des an dem mit dem Ausgang des Steuerteils 22 verbundenen Eingang der Speisespannungsquelle 1 anliegenden Steuersignals mit anschließender Erhöhung desselben nach Ablauf einer Veizögerungszelt erreicht. Diese kurzzeitigen Herabsetzungen der Speisespannung sind In F i g. 4 bis 7 nicht wiedergegeben. Beim Anlegen der Speisespannung von der Quelle 1 ist eine Lichtbogenbildung möglich. Beim Auftreten einer Lichtbogenentladung nimmt der Strom zu und die Entladungsspannung ab, so daß durch die von dem Stromgeber 11 und dem Geber 12 abgenommenen Signale festgestellt wird, daß eine Lichtbogenentladung aufgetreten ist.

Am Ausgang des Gebers 10 wird ein Signal gebildet, daß der Frequenz, mit der die Llchtbogenentladunger. auftreten, (d. h. einer Lichtbogenbildungsfrequenz) proportional Ist. Dieses Signal trifft an einem der Eingänge des Vergleichsgliedes 13 ein. In dem es mit dem Signal vergllcnen wird, das proportional dem vorgegebenen Frequenzwert Ist.

Dieses Signa' wird auf den Eingang des Reglers 16 gegeben. Am Ausgang des Reglers 16 wird entsprechend dem gewählten Regelungsgesetz ein Signal i/, (Fig. 5) für die Steuerung der Spelsequelle (Flg. I) gebildet, durch das der Scheltelwert U₁₁ der Speisespannungsimpulse geändert wird. Als Regler 16 (Flg. 1) kann ein PI-Regler verwendet werden. Das vom Regler 16 erzeugte Signal wird dem Eingang 26 des Steuerteils 22 zugeführt, der einen der Eingänge der Schaltung 30 (Flg. 2) bildet. Zu deren anderem Eingang gelangt dabei vom Umschalter 27, der auch die Funktion einer Bezugssignalquelle ausübt, ein Signal, das einen konstanten Wert aufweist, der absichtlich größer eingestellt ist als der Wert des Signals am Eingang 20. Die Schaltung 30 vergleicht die Eingangssignale, so daß am Ausgang dieser Schaltung 30 das geringere der beiden Signale erscheint, als welches In diesem Zeitpunkt das Signal vom Ausgang des Reglers 16 auftritt. Dieses Signal trifft gende am Eingang 24 der Spei- :5 sequelle 1 ein, wodurch der Scheltelwert U₁ der Spannung derart geändert wird, daß die Lichtbogenbildungsfrequenz auf einem vorgegebenen Niveau (Im vorliegenden Fall Ist eine Vergrößerung von U₀ gezeigt) gehalten wird. jo

Gleichzeitig erfolgt die Erhitzung der zu behandelnden Werkstücke 4 (Flg. 1). Am Ausgang der Geber 6 bzw. 7 erscheinen dabei Signale, die den Istwerten der Temperatur der zu behandelnden Werkstücke 4 und denen der Temperaturänderungsgeschwindigkeit proportional sind, welche mittels der entsprechenden Verglelchsglleder 8, 9 mit den Signalen verglichen werden, die den vorgegebenen Sollwerten dieser Parameter proportional sind, wobei an den Ausgängen der Verglelchsglleder 8, 9 Temperatur- und Temperaturänderungsgeschwindigkeiten Dlfferenzslgnale gebildet werden.

In Übereinstimmung mit diesen Differenzen und dem Regelungsgesetz werden von den Reglern 14 bzw. 15 Signale U₂ und U₃ (Flg. 6) zur Steuerung des Mittelwertes der Speisespannung gebildet. Als Regler 14 und 15 4i können ebenfalls PI-Regler verwendet werden. Die Steuersignale U₁ und Uy treffen an den Eingängen 18 (Flg. 1) und 19 des Steuertells 22 ein. die als Eingänge des Umschalters 26 (Flg. 2) dienen, mit dessen Hilfe vor dem Zeltpunkt /, zum Eingang des Umschalters 27 nur ein Signal U₁ für die von der Temperaturänderungsgeschwindigkeit abhängige Steuerung kommt. Vom Ausgang des Reglers 15 wird mittels des Umschalters 27 dieses Signal dem Eingang 25 der Spelsequelle 1 zugeführt, so daß der Mittelwert U$ der Speisespannung und damit der Mittelwert der Entladungsspannung so geändert wird, daß die Erhitzungsgeschwindigkeit auf dem vorgegebenen Niveau gehalten wird. Die Änderung des Mittelwertes (Λ der Spannung kann durch Änderung der Zeitdauer τρ der Impulspausen bei unveränderlichen Werten für die Impulsdauer τ und die Perlodendauer r₀ des Impulszyklus erfolgen.

Zum Zeltpunkt /, (Fig. 1) erreicht die Temperatur der zu bearbeitenden Werkstücke 4 den vorgegebenen Sollwert T₀. Am Ausgang des Nullorgans 31 (Fig. 2) 6* erscheint dabei ein Signal, durch das der Umschalter 26 derart umgeschaltet wird, das an seinem Ausgang nun ein Steuersignal £/₃ auftritt, das durch den Temperaturregler 14 erzeugt lsi.

Hierbei Ist e τ »stoßfreier Übergang« sicherzustellen, d. h. ein solcher Wechsel der Steuersignale U₁ und L_}. bei dem der Anfangswert des Steuersignals Uy gleich dem Wert des Signals U-, Im Übergaiigszeitpunkt 1st.

Somit trifft auf den Eingang 25 der Speisespannungsquelle 1 vom Zeltpunkt i\ an ein vom Ausgang des Temperaturreglers 14 abgenommenen Steuersignal Li (Flg. 6), so daß der Mittelwert der Entladungsspannung derart geändert wird, daß die Temperatur auf dem vorgegebenen Niveau 7"o gehalten wird.

Zum Zeltpunkt I₁ (Flg. 7) erreicht der Scheltelwert L., der Speisespannung den Wert U,, bei dem eine intensive Kathodenzerstäubung vor sich geht. Der Signalwert am Eingang 23 der Schaltung 29, d. h. am Eingang des Komparators 32 (Flg. 3) wird dabei gleich dem Wert des Signals, das an dem anderen Eingang des (Comparators 32 von der Bezugsspannungsquelle 34 eintrifft, und cm Ausgang des !Comparators 32 erscheint ein Signal, durch das der Zeltzähler 33 ausgelöst wird. Zum Zeitpunkt /-, (Flg. 7) verschwindet das Signal am Ausgang des Komparators 32 (Flg. 3) und die Zeitzählung wird unterbrochen. Somit zählt der Zeitzähler 33 die Zelt. Innerhalb der die Entladungsspannung auf dem Niveau L ₄ (Fig. 7) gehalter, wird.

Zum Zeitpunkt u erreicht die durch den Zähler 33 (F Ig. 3) registrierte Zeit den vorgegebenen Wert, so daß am Ausgang 28 der Schaltung 29 ein Signal auftritt, durch das der Umschalter 27 (Fig. 2) umgeschaltet wird, wodurch die Signale an den Ausgangen des Schalters 27 vertauscht werden. Auf diese Weise gelangt /um Eingang 25 dig. I) der Speisespannungsquelle 1 ein unveränderliches Signal, bei dem die Entladungsspannung praktisch eine ununterbrochene Form aufweist, während dem einen Eingang der oben genannten Schaltung 30 ein 5ίμ^ιΙ zugeführt wird, das vom Temperaturregler 14 erzeugt ist. An dem anderen Eingang derselben Schaltung 30 liegt immer ein Steuersignal an, uüs durch den Regler 16 gebildet ist. während an deren Ausgang, das bezogen auf die Amplitude geringere Signale der beiden Eingangssignale auftritt. Liegi keine Lichtbogenbildung vor. so ist das Signal für die Steuerung nacti Temperatur das geringere. Im folgenden wird die Temperatur auf dem vorgegebenen Niveau 7₀ (Fig. 4) durch Änderung der Speisespannung (Fig. 7) bei deren ununterbrochenem Verlauf gehalten.

Setzt zum Zeltpunkt ;₅ (Fig. 4. 5. 7) der Vorgang der Lichtbogenbildung wieder ein. dann wird das Ausgangssignal Ux (Fig. 5) des Reglers 16 (Flg. 1) vermindert und. wenn es geringer als das Signal Uy (Fig. 6) des Temperaturreglers wird, dem Eingang 24 (Fig. 1) der Speisespannungsquelle 1 zugeführt, so daß die Speisespannung so vermindert wird, daß die Frequenz der Lichtbogenbildung herabgesetzt wird.

Es ist zweckmäßig, den vorgegebenen Wert der Lichtbogenbildungsfrequenz während der Erhitzung zu vermindern, weil mit zunehmender Temperatur unerwünschte Einflüsse der Lichtbogenbildung stärker werden.

Zur Durchführung des beschriebenen Prozesses ist Stelleingang des Verglelchsglledes 13 an den Ausgang des Temperaturgebers 6 zu schalten (in Fig. 1, 2, 3 ist diese Anschaltung nicht gezeigt).

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zu dessen Durchführung wird somit, bevor die Kathodenzerstäubung zum Abschluß komm!, eine gleichzeitige Regelung abhängig von zwei Parametern, und zwar der Lichtbogenbildungsfrequenz und der Tem-

ieralui iK.er der Lichtbogenbildungsfrequenz und der Fcmperaturanderungsgeschwlndigke't durch Einwirkung luf den Scheltelwert der Speisespannung und auf deren ^liitelwert errii.Vlicht. Dies bietet die Möglichkeit, eint .(enslve Kathodenzerstäubung bei erhöhter Spannung durchzuführen, wodurch die Bearbeitungsdauer ve^rkürzt jnd die Bearbeitungsqualität verbessert wird.

In der Vorrichtung zur Durchführugn des Verfahren«, zum Steuern einer chemisch-thermischen Bearbeitung von Werkstücken sind getrennte Regler für jeden Regelparameter vorgesehen, was es möglich macht, eine qualitätsmäßig bessere Regelung dieser Parameter zu gewährleisten und als Folge davon die Bearbeltungsqualltät zu erhöhen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Steuern einer chemisch-thermischen Bearbeitung von Werkstücken in einer Glimmentladung, mit

- Messung der Temperatur der zu behandelnden Werkstücke und der Temperaturänderungsgeschwindigkeit,

- Vergleich der gemessenen Werte mit entsprechenden Sollwerten für diese Parameter,

- Bildung von Dlfferenzsignalen und

- Bildung eines Signals für die Steuerung der Glimmentladungsspannung aufgrund der ■? Differenzsignale,

gekennzeichnet durch folgende Schritte:

A) Messung der Frequenz der Lichtbogenbildung gleichzeitig mit der Messung der Temperatur und dereis Änderungsgeschwindigkeit,

B) Vergleich der gemessenen Frequenz mit einem Sollwert für diese Frequenz,

C) Bildung eines Signals aus der Vergleichsdifierenz in Schritt B) für die von der Frequenz der Lichtbogenbildung abhängige Steuerung der Glimmentladungsspannung und

D) Regelung der Lichtbogenbildungsfrequenz aufgrund des in Schritt C) gebildeten Signals.

2. Verfahren nach Anspruch I mit Erhitzung der Werkstücke ir, einer Glimmentladung unter gleichzeitiger Kathodenzerstäubung, dadurch gekennzeichnet, daß vom Beginn des ßehandiungsvorganges bis zum Ende der Kathodenzerstäubung --»is Glimmentladungsspannung eine Impulsspannung mit einstellbaren Schelte!- und Mittelwert verwendet wird, wobei zur Regelung der Temperatur und deren Änderungsgeschwindigkeil der Mittelwert der Impulsspannung und zur Regelung der Lichtbogenbildungsfrequenz die Amplitude der Spannungsimpulse verwendet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Slgnalweri für c!ie von der Lichtbogenblldungsfrequenz abhängige Steuerung der Glimmentladungsspannung mit dem Signalwert für die Steuerung der Temperatur bzw. deren Änderungsgeschwindigkeit verglichen und die Glimmentladungsspannung durch dasjenige der zu vergleichenden Signale, das einem geringeren Wert der Glimmentladungsspannung entspricht, gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert der Lichtbogenblldungsfrequenz bei Verminderung der Temperatur des zu behandelnden Werkstücks verkleinert wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit

- einer Speisespannungsquelle, die an die Stromzuleitungen einer Entladungskammer mit darin angeordneten zu behandelnden Werkstücken &o angeschlossen lsi,

- einem Werkstücktemperaturgeber,

- einem Temperaturänderungsgeschwindigkeits-Geber,

- Verglelchsgliedern zum Vergleichen der gemessenen Temperaturwerte mit entsprechenden Sollwerten und

- einer Regeleinheit für Temperaturparameter,

20

25

30

35

40

45

50

55

wobei

- die Werkstücktemperatur ausgangsseitig über die Vergleichsglieder an die Regeleinheit angeschlossen sind, die elektrisch mit der Speisespannungsquelle verbunden Ist,

gekennzeichnet durch

- einen Lichtbogenbildungsfrequenz-Geber (10),

- ein Glied (13), das die gemessene LUitbogenbildungsfrequenz mit einer Soll frequenz vergleicht,

- ein Steuerteil (22) und

- einen Spannungsgeber (12)

- die Regeleinheit (17), die aufweist:

- einen Temperaturregler (14).

- einen Temperaturänderungsgeschwindigkeitsregler(lS) und

- einen Lichtbogenbildungsfrequenz-Regler (16), wobei der Lichtbogenbildungsfrequenz-Geber (10) mit dem Lichtbogenfrequenz-Regler (16) über das jeweilige Vergleichsglied (13) verbunden 1st.

der Ausgang des Lichtbogenbildungsfrequenz-Reglers (16) an den Eingang (20) des Steuerteils .(22) angeschlossen ist,

zwei andere Eingänge (18. 19) jeweils an den Ausgang des Temperatur- und TemperaturänderungsyeschwIndigkeits-Reglers (14, 15) angeschlossen sind,

- ein weiterer Eingang (21) des Steuerteils (22) mit dem Ausgang des Temperatur-Vergleichsgliedes (8),

- ein letzter Eingang (23) des Steuerteils (22), der über den Spannungsgeber (12) mit der Stromzuleitung (22) verbunden ist und

- die Ausgänge (24, 25) des Steuerteils (22), die mit der Speisespannu igsquelle (1) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueieinhcii (22) Umschalter (26. 27), ein Nullorgan (31), eine Schaltung (30) zum Abtrennen eines minimalen Signals und eine Schaltung (29) zum Feststellen der Beendigung der Kathodenzerstäubung aufweist, wob :i das Nullorgan (31) an einen der Eingänge des Umsi !alters (27) angeschlossen ist, dessen zweiter Eingan.: mit dem Ausgang (28) der Schaltung (29) und dessen einer Ausgang mit einem der Eingänge der Schalt ing (30) in Verbindung steht, wobei die Eingänge des Umschalters (26), der Eingang des Nullorgans (31), Jer letzte Eingang der Schaltung (30) und der Eingang der Schaltung (29) die Eingänge (18, 19, 21. 20 bzw. :3) des Steuerteils (22) sind, und der zweite Ausgang des Umschalters (27) und der Ausgang der Schaltung (30) die Ausgänge des Steuerteils (22) sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (29) einen Komparator (32), eine Bezugsspannungsquelle (34) und einen Zeltzähler (33) besitzt, wobei ein Eingang des Komparators (32) und dessen Ausgang an den Eingang der Bezugsspannungsquelle (34) bzw. den Eingang des Zellzählers (33) angeschlossen Ist. während der andere Eingang des Komparator (32) und der Ausgang des Zeitzählers" (33) als Eingang b/w. Ausgang (28) der Schaltung (29) dienen.