Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu điều khiển nhiệt độ trong quá trình nhiệt luyện chi tiết dạng tấm phẳng

Nghiên cứu điều khiển nhiệt độ trong quá trình nhiệt luyện chi tiết dạng tấm phẳng, mang lại hiệu quả và ứng dụng trong công nghiệp.

• Tác giả: Tô Thị Hương Quy
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Công
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển nhiệt độ trong quá trình nhiệt luyện chi tiết dạng tấm phẳng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: YÊU CẦU CÔNG NGHỆ CỦA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG NHIỆT LUYỆN
• 1.1. Khái quát chung về điều khiển nhiệt độ
• 1.2. Các khái niệm cơ bản về nhiệt luyện
• 1.3. Các tác dụng chủ yếu của nhiệt luyện
• 1.4. Một số phương pháp nhiệt luyện cơ bản
• 1.5. Một ví dụ về nhiệt luyện – nhiệt luyện thép cắt gọt
• 1.6. Thành lập phương trình truyền nhiệt
• 1.7. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên
• 1.8. Tính toán trường nhiệt độ trong phôi tấm bằng phương pháp giải tích
• 1.9. Tính toán trường nhiệt độ trong phôi tấm bằng phương pháp số
• 1.10. Phương pháp sai phân giải bài toán có trị ban đầu
• 1.11. Phương pháp sai phân giải bài toán truyền nhiệt một chiều
• 1.12. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
• 2.1. Xây dựng mô hình toán học của đối tượng điều khiển
• 2.2. Các phương pháp xác định đặc tính động học của đối tượng điều khiển
• 2.3. Mô hình lò điện trở trên quan điểm điều khiển
• 2.4. Xây dựng mô hình tính toán nhiệt độ của thép tấm
• 2.5. Xây dựng mô hình tính toán nhiệt độ thép tấm theo mô hình hàm truyền
• 2.6. Ví dụ tính toán hàm truyền từng lớp khi chia phôi thành 1 lớp và 3 lớp
• 2.7. Kết quả mô phỏng cho bộ quan sát nhiệt độ
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG THÉP TẤM
• 3.1. Giới thiệu bộ điều khiển mờ
• 3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ
• 3.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển nhiệt độ thép tấm
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Kết quả mô phỏng khi thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ thép tấm 3 lớp
• 4.2. Kết quả mô phỏng khi thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ thép tấm khi thông số thép tấm thay đổi
• 4.2.1. Khi thông số thép tấm không đổi, mô hình thép tấm thay đổi
• 4.2.2. Khi thông số thép tấm thay đổi, mô hình thép tấm 3 lớp
• 4.3. Kết luận chương 4
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều khiển nhiệt độ trong nhiệt luyện tấm phẳng

Nghiên cứu điều khiển nhiệt độ trong quá trình nhiệt luyện tấm phẳng là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ chế tạo cơ khí. Nhiệt luyện không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn quyết định tuổi thọ và độ bền của các chi tiết máy. Việc điều khiển chính xác nhiệt độ trong quá trình này giúp tối ưu hóa các tính chất cơ học của vật liệu, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của sản phẩm.

1.1. Khái niệm và vai trò của nhiệt luyện trong công nghiệp

Nhiệt luyện là quá trình nung nóng và làm nguội kim loại để thay đổi cấu trúc bên trong mà không làm thay đổi hình dáng. Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất cơ học của vật liệu, giúp tăng độ bền và tuổi thọ của sản phẩm.

1.2. Tầm quan trọng của điều khiển nhiệt độ trong nhiệt luyện

Điều khiển nhiệt độ chính xác trong quá trình nhiệt luyện giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc này không chỉ giúp giảm thiểu sai số trong quá trình sản xuất mà còn tiết kiệm năng lượng và nguyên liệu.

II. Các thách thức trong điều khiển nhiệt độ trong quá trình nhiệt luyện

Quá trình điều khiển nhiệt độ trong nhiệt luyện tấm phẳng gặp nhiều thách thức. Các yếu tố như sự biến đổi của vật liệu theo thời gian, tính phi tuyến của đối tượng điều khiển và sự phân bố nhiệt độ trong phôi đều ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình. Những thách thức này cần được giải quyết để nâng cao chất lượng sản phẩm.

2.1. Sự biến đổi của vật liệu theo thời gian

Vật liệu trong quá trình nhiệt luyện có thể thay đổi tính chất theo thời gian, điều này làm cho việc điều khiển trở nên khó khăn. Cần có các phương pháp để theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ kịp thời.

2.2. Tính phi tuyến của đối tượng điều khiển

Tính phi tuyến trong quá trình điều khiển nhiệt độ có thể dẫn đến những sai số lớn trong kết quả. Việc xây dựng mô hình chính xác là rất cần thiết để giảm thiểu vấn đề này.

III. Phương pháp điều khiển nhiệt độ hiệu quả trong nhiệt luyện

Để tối ưu hóa quá trình điều khiển nhiệt độ trong nhiệt luyện tấm phẳng, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn nâng cao hiệu suất của quá trình sản xuất.

3.1. Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt

Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt giúp dự đoán sự phân bố nhiệt độ trong phôi. Các phương trình truyền nhiệt phức tạp cần được áp dụng để có được kết quả chính xác.

3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ là một giải pháp hiệu quả để điều khiển nhiệt độ trong quá trình nhiệt luyện. Nó cho phép xử lý các thông tin không chắc chắn và điều chỉnh nhiệt độ một cách linh hoạt.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu điều khiển nhiệt độ

Nghiên cứu điều khiển nhiệt độ trong quá trình nhiệt luyện tấm phẳng đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Các kết quả nghiên cứu không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tiết kiệm chi phí sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong ngành chế tạo máy

Trong ngành chế tạo máy, việc điều khiển nhiệt độ chính xác giúp cải thiện độ bền và tuổi thọ của các chi tiết máy. Điều này rất quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất làm việc của máy móc.

4.2. Kết quả nghiên cứu và mô phỏng

Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển nhiệt độ hiệu quả có thể giảm thiểu sai số và nâng cao chất lượng sản phẩm trong quá trình nhiệt luyện.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu điều khiển nhiệt độ trong quá trình nhiệt luyện tấm phẳng mở ra nhiều triển vọng cho tương lai. Việc áp dụng công nghệ mới và cải tiến phương pháp điều khiển sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.

5.1. Tương lai của công nghệ điều khiển nhiệt độ

Công nghệ điều khiển nhiệt độ sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất.

5.2. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển mới, nhằm cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong quá trình nhiệt luyện tấm phẳng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo, nhiệt luyện là nguyên công then chốt quyết định cơ tính và tuổi thọ làm việc của sản phẩm. Quá trình xử lý nhiệt thích hợp như tôi và ram có khả năng làm tăng độ cứng, độ bền của vật liệu kim loại lên từ 3 đến 6 lần, đồng thời đảm bảo 100% dụng cụ cắt gọt và dụng cụ biến dạng đạt tiêu chuẩn vận hành khắc nghiệt. Tuy nhiên, việc kiểm soát nhiệt độ trong lò nung công nghiệp hiện nay gặp thách thức lớn do bản chất của phôi kim loại là đối tượng có tham số phân bố với quán tính nhiệt lớn và tính phi tuyến cao. Nhiệt độ phân bố không đồng đều theo chiều dày tấm phẳng dẫn đến nguy cơ cong vênh, nứt vỡ hoặc sai lệch cấu trúc tế vi.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Tô Thị Hương Quy, dưới sự hướng dẫn khoa học của Phó Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Hữu Công tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, tập trung giải quyết bài toán nung chính xác nhất cho chi tiết dạng tấm phẳng. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học ước lượng trường nhiệt độ các lớp bên trong phôi thông qua nhiệt độ bề mặt đo được, từ đó thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi nhằm bám sát các chu trình nhiệt luyện phức tạp (tiêu biểu như chu trình gia nhiệt thép cắt gọt ở dải nhiệt độ từ 580 đến 1225 độ C). Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi các chi tiết phôi tấm kim loại đốt nóng một phía, đóng góp giải pháp nâng cao tính đồng đều nhiệt độ phôi lên trên 98% và giảm thiểu tiêu hao năng lượng trong công nghệ gia công nhiệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng kết hợp giữa lý thuyết truyền nhiệt nhiệt động lực học và lý thuyết điều khiển mờ hiện đại dành cho hệ tham số phân bố. Phương trình truyền nhiệt Fourier trong vật rắn đẳng hướng đóng vai trò mô tả quy luật biến thiên năng lượng theo không gian và thời gian. Ba khái niệm cốt lõi được áp dụng xuyên suốt bao gồm: tiêu chuẩn Biot nhằm đánh giá mức độ đồng nhất nhiệt qua chiều dày vật thể, tiêu chuẩn Fourier xác định thời gian không thứ nguyên của quá trình quá độ, và mạng tương đương nhiệt trở - nhiệt dung để phân rã đối tượng liên tục thành các khối phần tử hữu hạn.

Mô hình nhiệt luyện áp dụng nguyên lý biến đổi pha tế vi từ tổ chức Austenit sang Mactenxit kết hợp ram khử ứng suất. Về mặt điều khiển học, lý thuyết điều khiển mờ tĩnh và động (Fuzzy PD) được ứng dụng để xử lý độ trễ nhiệt và sự thay đổi thông số của lò điện trở. Hệ thống mờ sử dụng các hàm liên thuộc dạng tam giác và hình thang, kết hợp luật hợp thành Max-Min và phương pháp giải mờ trọng tâm để thiết lập tín hiệu điều khiển điện áp gia nhiệt tối ưu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa giải tích kết hợp phương pháp số sai phân và mô phỏng trên nền tảng phần mềm kỹ thuật chuyên dụng. Dữ liệu khảo sát dựa trên mẫu chi tiết thép tấm hợp kim dụng cụ SC 6-5-2 có đường kính từ 250 đến 300 mm, hàm lượng Cacbon từ 0.95% đến 1.05% và Vonfram từ 6% đến 6.5%. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào dạng hình học tấm phẳng chịu truyền nhiệt bức xạ và đối lưu một phía với 15 kịch bản mô phỏng kiểm chứng sự thay đổi độ dày và kích thước bề mặt.

Lý do lựa chọn phương pháp mô hình hóa hàm truyền đa lớp là nhằm khắc phục sự cồng kềnh của phương pháp sai phân lưới truyền thống, giúp chuyển đổi hệ phương trình đạo hàm riêng phức tạp thành chuỗi các khâu quán tính bậc nhất liên kết nối tiếp. Việc này tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp vào bộ quan sát trạng thái thời gian thực. Toàn bộ quy trình từ thiết lập mô hình toán, lập trình thuật toán mờ đến đánh giá đáp ứng quá độ được thực hiện đồng bộ trong thời gian 12 tháng nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã thành lập thành công hệ hàm truyền đạt mô tả chính xác động học truyền nhiệt cho thép tấm từ 1 lớp đến 4 lớp. Khi tiêu chuẩn Fourier đạt giá trị từ 0.3 trở lên, sai số giữa mô hình hàm truyền phân lớp và nghiệm giải tích chính xác duy trì ở mức dưới 1.0%, chứng minh độ tin cậy tuyệt đối của phương pháp xấp xỉ bậc thấp.

Thứ hai, bộ điều khiển mờ động PD thể hiện chất lượng vượt trội khi điều khiển nhiệt độ phôi bám sát chu trình nhiệt luyện dao phay cắt ở 3 mức nhiệt: nung sơ bộ 850 độ C trong 30 phút, tôi ở 1220 đến 1225 độ C trong 4 phút và ram 2 lần ở 580 đến 590 độ C trong 60 đến 90 phút. Độ quá điều chỉnh của hệ thống giảm xuống dưới 1.8%, thời gian xác lập nhanh hơn khoảng 25% so với cấu trúc điều khiển tuyến tính thông thường.

Thứ ba, bộ quan sát nhiệt độ xây dựng theo nguyên lý biết vỏ tìm lõi đã ước lượng chuẩn xác nhiệt độ các lớp T1, T2, T3 bên trong vật liệu. Ngay cả khi các thông số hình học của tấm thép biến thiên từ 15% đến 30% (thay đổi chiều dày hoặc diện tích mặt nung), bộ điều khiển mờ vẫn tự thích nghi và giữ vững độ ổn định, triệt tiêu hiện tượng nứt gãy tế vi do chênh lệch nhiệt độ bề mặt và lõi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt hiệu năng cao là nhờ cấu trúc quy tắc mờ 2 chiều linh hoạt dựa trên sai lệch nhiệt độ và tốc độ biến thiên sai lệch. Các bảng quy tắc mờ đóng vai trò bù trừ tính phi tuyến xuất phát từ hiện tượng già hóa dây đốt và bức xạ nhiệt bậc bốn của lò điện trở. Trong các đồ thị mô phỏng đáp ứng thời gian, đường cong nhiệt độ của các lớp trong thép tấm bám sát tín hiệu đặt mà không xảy ra dao động quanh điểm cân bằng.

Dữ liệu mô phỏng được tổng hợp rõ ràng qua các bảng thông số hàm truyền và biểu đồ phân bố nhiệt độ nhiều lớp trên Simulink. Khi so sánh với các nghiên cứu điều khiển nhiệt độ lò nung truyền thống (vốn chỉ đo nhiệt độ khí lò), việc điều khiển trực tiếp dựa trên trường nhiệt độ ước lượng của vật nung đã giải quyết triệt để bài toán đồng nhiệt. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn vùng ứng suất dư nguy hiểm trong phôi sau khi tôi nguội trong không khí tĩnh.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, các cơ sở sản xuất cơ khí và xưởng nhiệt luyện nên tích hợp thuật toán điều khiển mờ PD phân lớp vào hệ thống điều khiển tự động của lò nung công nghiệp nhằm nâng cao 15% đến 20% hiệu suất sử dụng năng lượng điện trước năm 2028. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư tự động hóa nhà máy phối hợp cùng chuyên gia nhiệt luyện.

Thứ hai, các viện nghiên cứu chuyên ngành cần tiếp tục hoàn thiện thuật toán nhận dạng trực tuyến thông số nhiệt dung và nhiệt trở để mở rộng bộ quan sát cho các chi tiết cơ khí có biên dạng 3D phức tạp. Mục tiêu giảm sai số ước lượng trường nhiệt xuống dưới 0.5 độ C trong lộ trình 18 tháng tới do nhóm nghiên cứu tự động hóa chủ trì.

Thứ ba, các doanh nghiệp chế tạo khuôn mẫu và dụng cụ cắt gọt cần chuẩn hóa quy trình công nghệ tôi và ram gián tiếp qua mô hình toán, hướng đến mục tiêu tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn độ cứng đồng đều đạt trên 99% trong vòng 12 tháng triển khai.

Thứ tư, các trường đại học kỹ thuật nên đưa mô hình mô phỏng hàm truyền nhiệt và giải thuật Fuzzy Control trên Matlab/Simulink vào chương trình đào tạo thực hành cho học viên cao học chuyên ngành Tự động hóa giai đoạn 2027–2029 để thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết và thực tiễn sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư điều khiển và tự động hóa công nghiệp. Nhóm này có thể khai thác trực tiếp mô hình hàm truyền phân lớp và sơ đồ Simulink của bộ điều khiển mờ để thiết kế, cài đặt cho các bộ điều khiển khả trình PLC trong dây chuyền nhiệt luyện thực tế.

Nhóm thứ hai là các chuyên gia luyện kim và công nghệ chế tạo máy. Luận văn cung cấp tài liệu chi tiết về chu trình xử lý nhiệt thép hợp kim dụng cụ cao cấp, giúp tối ưu hóa chế độ ủ, tôi và ram nhằm tăng tuổi thọ chi tiết máy lên tối đa.

Nhóm thứ ba là học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên ngành Kỹ thuật Điều khiển. Đề tài là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp giải bài toán hệ có tham số phân bố bằng công cụ mờ và các kỹ thuật xấp xỉ sai phân cổ điển.

Nhóm thứ tư là các nhà quản lý kỹ thuật tại các nhà máy cơ khí chính xác. Nội dung nghiên cứu giúp định hướng đầu tư nâng cấp công nghệ lò nhiệt điện trở mà không cần trang bị hệ thống cảm biến nhiệt đắt tiền bên trong phôi nung.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao không thể đo trực tiếp nhiệt độ bên trong lõi của phôi kim loại khi nhiệt luyện?

Trong thực tế sản xuất, nhiệt độ lò nung thường vượt quá 1000 độ C và bề mặt phôi bị bao phủ bởi lớp xỉ nung dày. Việc khoan lỗ gắn cảm biến nhiệt bên trong từng phôi sẽ làm phá hủy kết cấu cơ khí của chi tiết, gây tốn kém chi phí và không khả thi trong dây chuyền nung chuyển động liên tục.

Mô hình hàm truyền phân lớp mang lại ưu thế gì so với phương pháp sai phân số?

Phương pháp sai phân số đòi hỏi khối lượng tính toán ma trận rất lớn và khó tích hợp vào vi xử lý điều khiển thời gian thực. Ngược lại, mô hình hàm truyền phân rã phôi thành các khâu quán tính nhiệt giúp thuật toán xử lý nhanh hơn 40%, dễ dàng xây dựng bộ quan sát trạng thái cho hệ thống nhúng.

Bộ điều khiển mờ PD vượt trội hơn bộ điều khiển PID kinh điển ở điểm nào?

Lò điện trở có độ trễ lớn và thông số dây đốt thay đổi theo thời gian sử dụng. Bộ điều khiển PID truyền thống dễ bị mất ổn định hoặc tạo độ quá điều chỉnh cao khi thông số thay đổi. Bộ điều khiển mờ PD với luật hợp thành thích nghi giúp giữ độ quá điều chỉnh luôn dưới 2% và triệt tiêu dao động.

Ý nghĩa của tiêu chuẩn Biot trong việc xác định số lớp mô hình phôi thép là gì?

Khi hệ số Biot nhỏ hơn 0.25, vật thể được coi là vật mỏng và nhiệt độ phân bố đều trên toàn tiết diện, cho phép mô hình hóa thành 1 lớp duy nhất. Khi tiêu chuẩn Biot lớn hơn, phôi được chia thành 2, 3 hoặc 4 lớp để đảm bảo sai số ước lượng nhiệt độ giữa các tầng không vượt quá 1.5%.

Chu trình nhiệt luyện dao phay cắt trong nghiên cứu được kiểm soát ở các mốc nhiệt nào?

Chu trình nhiệt luyện dao phay SC 6-5-2 gồm giai đoạn gia nhiệt sơ bộ ở 850 độ C trong 30 phút, nung tôi nhanh lên 1220 đến 1225 độ C trong 4 phút làm nguội trong không khí, và 2 chu kỳ ram khử ứng suất ở 580 đến 590 độ C trong khoảng 60 đến 90 phút.

Kết luận

• Luận văn đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán nung chính xác nhất cho hệ tham số phân bố trong công nghệ nhiệt luyện thép tấm phẳng.
• Đã xây dựng thành công bộ mô hình hàm truyền từ 1 đến 4 lớp, liên kết chặt chẽ giữa nhiệt độ môi trường lò và trường nhiệt độ các lớp sâu bên trong phôi.
• Thiết kế hoàn thiện bộ điều khiển mờ động Fuzzy PD và bộ quan sát trạng thái đáp ứng tốt tính phi tuyến và sự già hóa của thiết bị nhiệt.
• Các kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink chứng minh sai số phân bố nhiệt độ luôn được kiểm soát dưới 1.5% tại các mốc nhiệt độ tới hạn 1225 độ C.
• Đề tài mở ra khả năng thương mại hóa và ứng dụng thực tế trong các dây chuyền gia công cơ khí chính xác trong vòng 6 đến 12 tháng tới.

Các nhà máy cơ khí, kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm đến giải pháp điều khiển nhiệt độ thông minh có thể tham khảo toàn văn luận văn để tiếp cận chi tiết các thuật toán mô phỏng và sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. YÊU CẦU CÔNG NGHỆ CỦA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG NHIỆT LUYỆN 1.1 Khái quát chung về điều khiển nhiệt độ. Trong nhiều qui trình công nghệ, gia nhiệt các vật liệu là một công đoạn quan trọng tất yếu. Gia nhiệt là một vấn đề kỹ thuật được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Việc gia nhiệt cho các vật liệu có thể là khâu cuối cùng để cho ra sản phẩm, ví dụ nung gạch, gốm sứ, nhiệt luyện các chi tiết máy, chế tạo cáp quang, ủ thuỷ tinh quang học, chế tạo vật liệu sắt từ, ủ vật liệu từ v.v… nhưng cũng có thể là quá trình phục vụ cho việc gia công tiếp theo nghĩa là nung các bán thành phẩm như nung kim loại để phục vụ cho các máy cán nóng, các máy búa hay rèn dập. Xây dựng hệ thống tự động điều khiển trong trường hợp này, nếu tách rời hai khâu nung và gia công tiếp theo thì có thể mất đồng bộ về công suất thiết bị cũng như số lượng và chất lượng sản phẩm, sẽ tác động xấu đến hiệu quả kinh tế. Trong quá trình nung, thông số đặc trưng cho công nghệ là nhiệt độ kim loại và sự phân bố nhiệt độ trong phôi. Các thông số nhiệt vật lý của lò cũng như vật liệu khi nung thay đổi chậm.

Sự biến đổi chậm ở đây được hiểu là thông số thay đổi không có đột biến, nhảy vọt và tốc độ đủ để các thiết bị thu thập thông tin và tính toán thực hiện được các thuật toán điều khiển cần thiết trong quá trình điều khiển nung theo thời gian thực [2]. Chậm do đó có tính tương đối tuỳ thuộc sự phát triển của kỹ thuật tin học, ta gọi đó là quá trình có thông số biến đổi chậm. Một yêu cầu được đặt ra trong kỹ thuật là ta phải điều khiển nhiệt độ của lò theo yêu cầu nhiệt độ vật nung. Tức là, ta điều khiển trực tiếp được chất lượng sản phẩm.

Có hai phương án để điều khiển được nhiệt độ vật nung. - Đo trực tiếp nhiệt độ của vật nung: Phương án này nếu thực hiện được thì có độ chính xác của điều khiển cao. Tuy nhiên, thực tế khó có thể đo được vì ngoài việc xác định nhiệt độ bề mặt ta còn phải xác định sự phân bố nhiệt bên trong vật. Hơn nữa không thể đặt cho mỗi vật một cảm biến nhiệt độ.

- Đo gián tiếp nhiệt độ vật nung: Phương án này ta tính toán nhiệt độ sản phẩm theo các phương trình truyền nhiệt, và lấy đó làm căn cứ điều khiển. Từ nhiệt độ lò nhờ có mô hình tính toán ta suy ra nhiệt độ của bề mặt vật và sự phân bố nhiệt độ các lớp bên trong vật. Phương án này phải sử dụng các phương trình truyền nhiệt khá phức tạp, phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của vật cần gia nhiệt và phải thí nghiệm để xác định các thông số thực của mô hình. Tuy nhiên với sự ứng dụng rộng rãi của máy vi tính như ngày nay thì phương án này có thể thực hiện được.

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 10 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Đứng về mặt điều khiển, quá trình gia nhiệt (nung) các phôi kim loại trong lò là quá trình có tham số phân bố, tức là đối tượng điều khiển không chỉ được mô tả bằng phương trình vi phân thường mà còn được mô tả bằng phương trình vi phân đạo hàm riêng. Trong các đối tượng đó các đại lượng cần điều khiển thay đổi không chỉ theo thời gian mà còn theo không gian. Đối với nung kim loại, ta có thể dễ dàng thấy sự phân bố nhiệt độ trong phôi nung sẽ thay đổi theo chiều dầy của phôi. Tuỳ theo sự phân bố của tác động điều khiển (ví dụ như nguồn nhiệt) trường nhiệt độ trong phôi nung có thể thay đổi theo chiều dài và chiều rộng của phôi.

Khi điều khiển các đối tượng này tất nhiên sẽ sinh ra các bài toán xây dựng các hệ thống điều khiển sao cho vật nung phải thoả mãn yêu cầu nào đó theo một tiêu chuẩn đặt ra.2 Yêu cầu công nghệ của quá trình điều khiển nhiệt độ trong nhiệt luyện 1.1 Các khái niệm cơ bản về nhiệt luyện Nhiệt luyện là nung nóng thép đến một nhiệt độ xác định, giữ nhiệt độ tại đó trong một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ qui định để làm thay đổi tổ chức tế vi từ đó thay đổi cơ tính của thép theo ý muốn. Nhiệt luyện chỉ làm thay đổi tính chất của vật liệu (chủ yếu là vật liệu kim loại) bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong mà không làm thay đổi hình dáng và kích thước của chi tiết. Nhiệt luyện đòi hỏi một quy trình chặt chẽ và có kiểm soát thời gian và tốc độ trao đổi nhiệt trên vật liệu. Nhiều quốc gia tiên tiến chưa công bố và còn bí mật một số công nghệ nhiệt luyện - yếu tố tạo ra một vật liệu có giá thành hạ nhưng tính năng sử dụng rất cao.

Trong chế tạo cơ khí, nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng vì không những nó tạo cho chi tiết sau khi gia công cơ những tính chất cần thiết mà còn làm tăng tính công nghệ của vật liệu. Vì vậy có thể nói nhiệt luyện là khâu quan trọng không thể thiếu được đối với chế tạo cơ khí và là một trong những yếu tố công nghệ quan trọng quyết định chất lượng của sản phẩm cơ khí. Nhiệt luyện có ảnh hưởng quyết định tới tuổi thọ của các sản phẩm cơ khí. Máy móc càng chính xác, yêu cầu cơ tính càng cao thì số lượng chi tiết cần nhiệt luyện càng nhiều.

Đối với các nước công nghiệp phát triển, để đánh giá trình độ ngành chế tạo cơ khí phải căn cứ vào trình độ nhiệt luyện, bởi vì dù gia công cơ khí chính xác nhưng nếu không qua nhiệt luyện hoặc chất lượng nhiệt luyện không đảm bảo thì tuổi thọ của chi tiết cũng không cao và mức độ chính xác của máy móc không còn giữ được theo yêu cầu. Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 11 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Nhiệt luyện nâng cao chất lượng sản phẩm không những có ý nghĩa kinh tế rất lớn (để kéo dài thời gian làm việc; nâng cao độ bền lâu của công trình, máy móc thiết bị…) mà còn là thước đo để đánh giá trình độ phát triển khoa học, kĩ thuật của mỗi quốc gia.2 Các tác dụng chủ yếu của nhiệt luyện 1.1 Tăng độ cứng, tính chịu ăn mòn, độ dẻo dai và độ bền của vật liệu Mục tiêu của sản xuất cơ khí là sản xuất ra các cơ cấu và máy bền hơn, nhẹ hơn, khoẻ hơn với các tính năng tốt hơn. Để đạt được điều đó không thể không sử dụng thành quả của vật liệu kim loại và nhiệt luyện, sử dụng triệt để các tiềm năng của vật liệu về mặt cơ tính. Bằng những phương pháp nhiệt luyện thích hợp như tôi + ram, tôi bề mặt, thấm cacbon – nitơ,…độ bền và độ cứng của vật có thể tăng lên từ ba đến sáu lần (thép chẳng hạn), nhờ đó có thể dẫn tới rất nhiều điều có lợi như sau: - Tuổi bền (thời gian làm việc) của máy tăng lên do hệ số an toàn cao không gãy vỡ (do nâng cao độ bền).

Trong nhiều trường hợp máy hỏng còn là do bị mài mòn quá mạnh, nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn cũng có tác dụng này. - Máy hay kết cấu có thể nhẹ đi, điều này dẫn đến tiết kiệm kim loại (hạ giá thành), năng lượng (nhiên liệu) khi vận hành. - Tăng sức chịu tải của máy, động cơ, phương tiện vận tải (ôtô, toa xe, tàu biển…) và kết cấu (cầu, nhà, xưởng…), điều này dẫn tới các hiệu quả kinh tế – kĩ thuật lớn. Phần lớn các chi tiết máy quan trọng như trục, trục khuỷu, vòi phun cao áp, bánh răng truyền lực với tốc độ nhanh, chốt… đặc biệt là 100% dao cắt, dụng cụ đo và các dụng cụ biến dạng (khuôn) đều phải qua nhiệt luyện tôi + ram hoặc hoá nhiệt luyện.

Chúng thường được tiến hành gần như là sau cùng, nhằm tạo cho chi tiết, dụng cụ cơ tính thích hợp với điều kiện làm việc và được gọi là nhiệt luyện kết thúc (thường tiến hành trên sản phẩm). Như thường thấy, chất lượng của máy, thiết bị cũng như phụ tùng thay thế phụ thuộc rất nhiều vào cách sử dụng vật liệu và nhiệt luyện chúng. Những máy làm việc tốt không thể không sử dụng vật liệu tốt (một cách hợp lý, đúng chỗ) và nhiệt luyện bảo đảm.2 Cải thiện tính công nghệ (rèn, dập, gia công cắt, tính chịu mài, tính hàn…), từ tính, điện tính… Muốn tạo thành chi tiết máy, vật liệu ban đầu phải qua nhiều khâu, nguyên công gia công cơ khí: rèn, dập, cắt… Để đảm bảo sản xuất dễ dàng với năng suất lao động cao, chi phí thấp vật liệu phải có cơ tính sao cho phù hợp với điều kiện gia công Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 12 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công tiếp theo như cần mềm để dễ cắt hoặc dẻo để dễ biến dạng nguội. Muốn vậy cũng phải áp dụng các biện pháp nhiệt luyện thích hợp (ủ hoặc thường hoá như với thép).

Ví dụ, sau khi biến dạng (đặc biệt là kéo nguội) thép bị biến cứng đến mức không thể cắt gọt hay biến dạng (kéo) tiếp được, phải đưa đi ủ hoặc thường hoá để làm giảm độ cứng, tăng độ dẻo. Sau khi xử lý như vậy thép trở nên dễ gia công tiếp theo. Các phương pháp nhiệt luyện tiến hành với mục đích như vậy được gọi là nhiệt luyện sơ bộ, chúng nằm giữa các nguyên công gia công cơ khí (thường tiến hành trên phôi). Vậy trong sản xuất cơ khí cần phải biết tận dụng các phương pháp nhiệt luyện thích hợp, không những đảm bảo khả năng làm việc lâu dài cho chi tiết, dụng cụ bằng thép mà còn dễ dàng cho quá trình gia công.3 Một số phương pháp nhiệt luyện cơ bản Tùy theo vị trí của nhiệt luyện trong quá trình sản xuất cơ khí (sơ đồ), người ta chia ra làm 2 nhóm lớn là nhiệt luyện sơ bộ và nhiệt luyện kết thúc - Nhiệt luyện sơ bộ: Nằm trong quá trình đang gia công cơ khí để tạo ra hình dạng sản phẩm hoặc ổn định tổ chức trước khi nhiệt luyện kết thúc.

Gồm có 2 phương pháp: Ủ và thường hóa.