Nghiên cứu cải tạo hệ thống điều khiển cho máy mạ chân không của xí nghiệp quang điện 23 tổng cục công nghiệp quốc phòng

Máy mạ chân không BY2M có diện tích buồng mạ lớn, có khả năng mạ được nhiều chi tiết quang học khác nhau, từ kích thước 5 đến 100mm; công nghệtương đối ổn định, tuy nhiên, thiết bị có hệ

NGUYỄN ĐỨC DŨNG

NGHIấN CỨU CẢI TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY MẠ CHÂN KHễNG CỦA XÍ NGHIỆP QUANG ĐIỆN 23 - TỔNG CỤC

CễNG NGHIỆP QUỐC PHềNG

Chuyên ngành: Điện khí hoá mỏ

Luận Văn Thạc SĨ kỹ thuật

người hướng dẫn khoa học pgs.TS PHAN XUÂN MINH

Hà nội - Năm 2010

qu¶ nghiªn cøu, thiÕt kÕ trong luận văn là trung thực chưa từng được ai công

bố trong bất cứ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 16 tháng 8 năm 2010

Tác giả luận văn

NguyÔn §øc Dòng

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các hình vẽ

Danh mục bảng

Mở đầu……….…………1

Chương 1: Giới thiệu về công nghệ mạ chân không 4

1.1 Giới thiệu về công nghệ mạ chân không 4

1.1.1 Mạ bốc bay nhiệt điện trở 4

1.1.2 Mạ bốc bay bằng tia điện tử 5

1.1.3 Mạ chân không bằng phương pháp bắn phá iông ca tốt 5

1.1.3.1 Phún xạ cao áp một chiều: 5

1.1.3.2 Phún xạ cao tần 6

1.1.3.3 Phún xạ magnetron 8

1.2 Giới thiệu về các thiết bị mạ chân không và công nghệ mạ hiện có của đơn vị………10

1.3 Giới thiệu thiết bị mạ chân không ở một số cơ sở trong nước .10

1.4 Thiết bị mạ và công nghệ được lựa chọn đưa vào nghiên cứu cải tiến… …11

Chương 2:Nghiên cứu đánh giá hiện trạng hệ thống điều khiển mạ chân không ……… 13

2.1 Giới thiệu về máy mạ chân không BY2M……… ……13

2.2 Các hệ thống chính và phụ trợ trong máy mạ chân không BY2M 16

2.2.1 Hệ thống chính 16

2.2.2.Các hệ thống phụ trợ 16

2.3 Chức năng của các hệ thống chính và phụ trợ trong máy mạ chân không .16

2.3.1 Hệ thống hút chân không .16

2.3.2 Hệ thống đo và hiển thị chân không .28

2.3.2.1 Các thiết bị trong hệ thống đo và hiển thị chân không 28

2.3.2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống đo và hiển thị chân không 29

2.3.2.3.ưu nhược điểm của hệ thống đo hiển thị chân không 31

2.3.3 Hệ thống sấy 32

2.3.3.1 Các thiết bị trong hệ thống sấy 32

2.3.3.2 Nguyên lý làm việc 33

2.3.3.3 ưu nhược điểm của hệ thống sấy chân không .34

2.3.4 Hệ thống khử tạp chất .34

2.3.4.1 Các thiết bị trong hệ thống khử tạp chất 34

2.3.4.2 Nguyên lý làm việc 35

2.3.4.3 ưu nhược điểm của hệ thống sấy chân không .37

2.3.5.Hệ thống đốt thuốc mạ (kiểu nhiệt điện trở) 37

2.3.5.1 Các thiết bị trong hệ thống đốt thuốc mạ .38

2.3.5.2 Nguyên lý làm việc 39

2.3.5.3.ưu, nhược điểm 39

2.3.6.Hệ thống đóng mở tấm chắn 40

2.3.6.1 Các thiết bị trong hệ thống đóng mở tấm chắn 40

2.3.6.2 Nguyên lý làm việc 40

2.3.6.3 ưu nhược điểm 41

2.3.7.Hệ thống quay gá sản phẩm 41

2.3.7.1.Các thiết bị trong hệ thống quay gá sản phẩm .41

2.3.7.2 Nguyên lý làm việc 42

2.3.7.3 ưu nhược điểm 43

2.3.8 Hệ thống đo chiều dày lớp mạ .43

2.3.8.1.Các thiết bị trong hệ thống đo chiều dày lớp mạ 43

2.3.10 Hệ thống cung cấp khí nén 45

2.4 Qui trình công nghệ mạ chân không 46

2.4.1.Trước khi mạ sản phẩm 46

2.4.2.Tiến hành mạ 46

2.4.3 Dừng quá trình mạ 46

2.5 Đánh giá hiện trạng của thiết bị 47

2.5.1 Hệ thống điều khiển 47

2.5.2 Các cơ cấu chấp hành 47

Chương 3: Nghiên cứu đề xuất phương án cải tạo hệ thống điều khiển máy mạ chân không 48

3.1 Lựa chọn cấu hình cho hệ thống điều khiển .48

3.1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển trên PLC 48

3.1.2 Ghép nối vào/ra giữa thiết bị quá trình và PLC 54

3.1.2.1 Các tín hiệu vào PLC ở cấp điện áp 120VAC 54

3.1.2.2 Các tín hiệu vào PLC ở cấp điện áp 24VDC 58

3.1.2.3 Các tín hiệu ra ở cấp điện áp 120VAC 63

3.1.2.4 Các tín hiệu ra ở cấp điện áp 24VDC 66

3.1.2.5 Cấu hình hệ thống điều khiển 71

3.1.2.6 Địa chỉ Vào/Ra cho các cổng được biểu diễn trong bảng địa chỉ hình thức sau: 73

3.2 Thiết kế chương trình điều khiển 83

3.2.1 Thiết kế chương trình chính (OB1) 84

3.2.1.1 Yêu cầu về điều khiển 84

3.2.1.2 Lưu đồ thuật toán 85

3.2.2 Thiết kế chương trình con FC2 ( chương trình ở chế độ tự động) 85

3.2.2.1 Yêu cầu về điều khiển 85

3.2.2.2 Lưu đồ thuật toán 86

3.2.4 Thiết kế chương trình con FC5 ( iông hoá đốt tạp chất) 92

3.2.4.1 Yêu cầu về điều khiển 92

3.2.4.2 Lưu đồ thuật toán 92

3.2.5 Thiết kế chương trình con FC6 (quay gá sản phẩm, đốt thuốc, đo chiều dày lớp mạ) 94

3.2.5.1 Yêu cầu về điều khiển 94

3.2.5.2 Lưu đồ thuật toán 94

3.3 Viết chương trình điều khiển 97

3.3.1.Bảng địa chỉ giữa PLC và thiết bị quá trình 97

3.3.2 Chương trình điều khiển 100

3.3.3.Chương trình điều khiển FC1 104

3.3.4.Chương trình điều khiển FC2 109

3.3.5.Chương trình điều khiển FC4 110

3.3.6.Chương trình điều khiển FC5 111

3.3.7.Chương trình điều khiển FC6 112

3.3.8.Chương trình điều khiển FC3 113

Kết luậnvà kiến nghị ……….… ….…120

Tài liệu Tham Khảo……….……….….…122

Hình 1.2 Sơ đồ phóng điện cao tần có tụ điện chặn ……… …… ………… 7

Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lý bẫy điện từ bằng từ trường 8

Hình 1.4 Thiết bị mạ của trường Đại hoc KHTN thành phố HCM…… …………11

Hình 2.1 Mặt trước của máy mạ chân không BY2M……… 13

Hình 2.2 Máy mạ chân không BY2M khi cửa buồng chân không mở……… ….14

Hình 2.3 Mặt sau của máy mạ chân không……… 15

Hình 2.4 : Buồng chân không khi mở……….………… 17

Hình 2.5: Bảng điều khiển hệ thống hút chân không………17

Hình 2.6 Bơm chân không sơ bộ……… …18

Hình 2.7 Bơm khuyếch tán……… …18

Hình 2.8: Các van điện từ đóng mở khí nén……….………….19

Hình 2.9 : Sơ đồ hút chân không……… … 19

Hình 2.10: Sơ đồ động lực bơm hút chân không……… 21

Hình 2.11 Sơ đồ mạch điều khiển hút chân không……… 21

Hình 2.12: Bộ hiển thị chân không………28

Hình 2.13: Cảm biến chân không thấp……… 29

Hình 2.14: Cảm biến chân không cao ……… 29

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý bộ hiển thị và đo chân không……… 29

Hình 2.16: Mặt sau bộ hiển thị chân không ……… 30

Hình 2.17: Bộ điều khiển dòng và khống chế nhiệt độ……….32

Hình 2.18: Các thanh điện trở gia nhiệt………32

Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy……… 33

Hình 2.20: Bộ điều khiển khử tạp chất……… 34

Hình 2.21: Bộ iông hoá……….35

Hình 2.22: Mạch động lực……….35

Hình2.23: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển………36

Hình 2.24: Bộ điều khiển……… 38

Hình 2.25: Dây điện trở vonfram (máng chứa thuốc mạ)……….38

Hình 2.29: Bộ điều khiển……….41

Hình 2.30: Động cơ 1 chiều và gá quay………42

Hình 2.31: Sơ đồ nguyên lý……… 43

Hình 2.32: Bộ đo chiều dày lớp mạ……… 44

Hình 2.33: Sơ đồ nguyên lý……… 44

Hình 2.34: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp khí nén………45

Hình 3.1: Cấu hình hệ thống điều khiển………72

Hình 3.2: Cấu trúc chương trình điều khiển……… 84

Hình 3.3: Lưu đồ chương trình chính………85

Hình 3.4: Lưu đồ chương trình FC2……… 87

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý hút chân không ……… 88

Hình 3.6: Lưu đồ chương trình con FC4……… 92

Hình 3.7: Lưu đồ chương trình con FC5……… 93

Hình 3.8: Lưu đồ chương trình con FC6……… 96

Bảng 3.1: Các module vào ra tương tự của S7 300 ……… ….49

Bảng 3.2: Họ CPU S7 300 có tích hợp thêm giao diện……….……… 50

Bảng3.3: Các module vào số của CPU S7 300……… 51

Bảng 3.4:Các module ra số của CPU S7 300 ……….….52

Bảng 3.5:Các module ra Rơle của CPU S7 300 ……….….53

Bảng 3.6: Các module vào tương tự của CPU S7 300 ……….53

Bảng 3.7: Các mod ra tương tự của CPU S7 300 ………54

Bảng 3.8 Các tín hiệu v ào PLC ở cấp điện áp 120VAC ……… 55

Bảng 3.9 Các tín hiệu vào PLC ở cấp điện áp 24VDC ……… 58

Bảng 3.10 Các tín hiệu ra ở cấp điện áp 120VAC ……….63

Bảng 3.11 Các tín hiệu v ào PLC ở cấp điện áp 24VDC 66

Bảng 3.12: Địa chỉ các cổng vào ………73

Bảng 3.13: Địa chỉ các cổng ra ……… 78

được hoàn thành với sự nghiêm túc của bản thân, sự hướng dẫn khoa học củacô giáo PGS.TS Phan Xuân Minh.

Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự hướng dẫnnhiệt tình chu đáo của các thầy cô giáo trong Bộ môn Điện khí hoá xí nghiệp

Mỏ và Dầu khí cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của phòng Đại học và Sau Đạihọc trường Đại học Mỏ - Địa chất

Nhân dịp này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáoPGS.TS Phan Xuân Minh, người trực tiếp hướng dẫn khao học, các thầy côgiáo trong Bộ môn Điện khí hoá xí nghiệp Mỏ và Dầu khí về những đóng gópquí báu trong quá trình thực hiện đề tài

Cảm ơn cán bộ phòng cơ điện, cán bộ phân xưởng Gia công Quang học

Xí nghiệp quang điện 23 – Tổng cục công nghiệp quốc phòng

Tác giả luận văn

Nguyễn Đức Dũng

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Máy mạ chân không BY2M là một khâu rất quan trọng trong quá trình sảnxuất kính ngắm quang học tại Xí nghiệp quang điện 23-Tổng cục công nghiệp quốcphòng Hầu hết các máy mạ chân không tại Xí nghiệp 23 do Nga sản xuất, đây làthiết bị phức tạp, công nghệ cao, giá thành và chi phí sản xuất lớn, do vậy chỉ nhữngcơ sở sản xuất có công nghệ đặc biệt, hay các trung tâm nghiên cứu mới đầu tưnghiên cứu và sử dụng

Máy mạ chân không BY2M có diện tích buồng mạ lớn, có khả năng mạ

được nhiều chi tiết quang học khác nhau, từ kích thước 5 đến 100mm; công nghệtương đối ổn định, tuy nhiên, thiết bị có hệ thống điều khiển cồng kềnh phức tạp, độtin cậy thấp, không có khả năng làm việc tự động Việc thay thế các thiết bị nàybằng công nghệ tự động hóa mới là rất cần thiết để đảm bảo an toàn và nâng caohiệu quả của quá trình sử dụng

Mặt khỏc, những thành tựu từ tự động húa (TĐH) nhiều năm cho thấy, TĐHđem lại năng suất lao động cao, giảm chi phớ nguyờn vật liệu và cỏc dạng nănglượng tiờu thụ, làm tăng năng suất lao động và giảm giỏ thành sản phẩm Tự độnghúa giỳp xó hội được văn minh hơn, nõng cao dõn trớ trờn diện rộng trong tổ chứccỏc quỏ trỡnh sản xuất và cỏc tổ chức xó hội khỏc, đồng thời tự động húa cũn bảo vệđược mụi trường sinh thỏi và giải phúng được con người khỏi lao động chõn taynhàm chỏn và độc hại Tự động húa là một hướng đi đỳng đắn nhất song cũng làmột nhiệm vụ khú khăn cho những người làm việc trờn lĩnh vực này

2 Mục đớch của đề tài

Nghiên cứu cải tạo hệ thống điều khiển cho máy mạ chân không của Xínghiệp quang điện 23 - Tổng cục công nghiệp quốc phòng

3 Đối tượng và phạm vi nghiờn cứu.

Máy mạ chân không BY2M của xí nghiệp quang điện 23

4 Nhiệm vụ của đề tài.

Để thực hiện được như nờu ở trờn, đề tài cần giải quyết các nội dung sau:

+ Đỏnh giỏ hiện trạngmáy mạ chân không hiện tại.

+ Nghiờn cứu, đề xuất cỏc phương ỏn tự động húa

+ Nghiờn cứu hệ thống tự động húa điều khiển máy mạ chân không BY2Mbằng PLC

+ Viết chương trỡnh điều khiển cho mỏy mạ chõn khụng trờn nền PLC 300

S7-5 Nội dung của đề tài.

6 Phương phỏp nghiờn cứu.

Để giải quyết cỏc nhiệm vụ của đề tài, tỏc giả sử dụng cỏc phương phỏpnghiờn cứu tổng hợp sau:

+ Nghiờn cứu, đỏnh giỏ, xỏc định cỏc thụng số về máy mạ chân khôngBY2M, đặc biệt là nghiên cứu kỹ qui trình công nghệ mạ chân không tại Xí nghiệpquang điện 23

+ Nghiờn cứu lý thuyết chung về tự động húa và phầm mền PLC S7-300 củahóng Siemens và của cỏc hóng khỏc

+ Xõy dựng cấu trỳc chương trỡnh điều khiển cho mỏy mạ chõn khụngBY2M

+ Thiết kế chương trỡnh điều khiển

7 í nghĩa khoa học và thực tiễn

Đánh giá hiện trạng máy mạ chân không BY2M, nghiờn cứu đưa ra cỏc giảiphỏp, thiết kế hệ thống tự động húa sử dụng PLC S7 -300, đề xuất và kiến nghịphương án đưa tự động húa vào điều khiển máy mạ chân không nhằm đảm bảo yờu

cầu kỹ thuật, độ an toàn và tin cậy cao, vì vậy đề tài mang tính khoa học và thựctiễn cao, sẽ được đưa vào sử dụng tại xớ nghiệp quang điện 23.

8 Cơ sở dữu liệu

Luận văn được thực hiện dựa trên cơ sở các tài liệu sau:

+ Căn cứ vào hiện trạng củamáy mạ chân không BY2M tại Xí nghiệp quang

điện 23

+ Căn cứ vào qui trình công nghệ mạ chân không

+ Nhu cầu của đơn vị sử dụng thiết bị trong giai đoạn tiếp theo

+ Tài liệucủa máy mạ chân không BY2M

9 Cấu trỳc của đề tài

Luận văn được trình bày trong 3 chương, phần mở đầu và kết luận với nhiềubảng biểu, hình vẽ, và danh mục các tài liệu tham khảo Luận văn được hoàn thànhtại Bộ môn Điện khí hoá xí nghiệp Mỏ và Dầu khí, Trường Đại học Mỏ - Địa chấtdưới sự hướng dẫn khoa học của:

pgs.TS PHAN XUÂN MINH

Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ chânthành, nhiệt tình của đơn vị, Phòng Đại học và Sau đại học trường đại học Mỏ - Địachất

Nhân dịp này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tớiPGS.TS PHAN XUÂN MINH người trực tiếp hướng dẫn khoa học, các tập thể, cá nhân, các nhàkhoa học và các đồng nghiệp về những đóng góp quý báu trong quá trình thực hiện

đề tài

Chương 1 Giới thiệu về công nghệ mạ chân không

1.1 Giới thiệu về công nghệ mạ chân không

Mạ chân không là phương pháp mạ vật lý, khác với phương pháp mạ hóahọc Trong mạ chân không được chia ra làm nhiều phương pháp mạ khác nhau tùyvào nguồn phát, phương thức phát gồm có

* Mạ bốc bay nhiệt điện trở

* Mạ bốc bay tia điện tử

Để hiểu rõ về mạ chân không em xin giới thiệu nguyên lý của từng phương pháp mạ chân không như sau:

1.1.1 Mạ bốc bay nhiệt điện trở

Nguyên lý mạ bốc bay bằng điện trở là:

Sản phẩm cần mạ được làm sạch và đưa vào trong buồng chân không, tiếnhành hút chân không trong buồng để áp suất chân không đạt≈ 10-5 đến 10-7at, rồi

tiến hành mạ chân không Để tiến hành mạ chân không, sử dụng các dây vonframlàm máng chứa thuốc mạ đồng thời đó cũng là nguồn gia nhiệt để đốt thuốc mạ (gọitắt là máng điện trở), thuốc mạ được đặt trong máng điện trở, nhờ máng điện trở

được gia nhiệt tới 300 ± 100c mà thuốc mạ được đốt và bốc bay thành dạng hơi,phủ vào các bề mặt sản phẩm tạo thành lớp mạ trên bề mặt sản phẩm

ưu điểm : Dễ thực hiện, lớp mạ bám đều

Nhược điểm : Đối với các thuốc mạ có nhiệt độ nóng chảy cao ≥ 3000ckhông thực hiện được do nguồn nhiệt bị hạn chế

1.1.2 Mạ bốc bay bằng tia điện tử

Nguyên lý mạ bốc bay bằng tia điện tử là:

Sản phẩm cần mạ được làm sạch và đưa vào trong buồng chân không, tiếnhành hút chân không trong buồng để áp suất chân không đạt≈10-5 đến 10-7at, rồimới tiến hành mạ chân không Mạ bốc bay bằng tia điện tử là sử dụng nguyên lýphóng điện giữa a nốt và ca tốt để tạo ra chùm điện tử đốt thuốc mạ Khi mạ, đặtthuốc mạ lên ca tốt và đặt sản phẩm lên anốt Khi có sự phóng điện giữa a nốt và catốt, lớp thuốc mạ được gia nhiệt với nhiệt độ cao và bốc thành dạng hơi bay lên phủvào bề mặt sản phẩm cần mạ tạo thành lớp mạ trên bề mặt sản phẩm

ưu điểm : Dễ thực hiện, lớp mạ bám đều, làm nóng chảy và bốc bay đượccác vật liệu có độ nóng chảy cao tới 10000c

Nhược điểm: Giá thành chế tạo thiết bị mạ theo nguyên lý này cao

Hình 1.1 Sơ đồ hệ phóng điện cao áp 1 chiều (DC- sputter)

Khoảng cách ca tôt – a nốt khoảng 10cm, nhỏ hơn nhiều so với phươngpháp bốc bay tia điện tử Nguồn khí sử dụng trong buồng chân không phổ biến nhất

là khí trơ argon với áp suất duy trì cỡ 1 Torr Khi có điện áp một chiều khoảng vàitrăm KV (tuỳ thuộc vào từng loại sản phẩm) và nguồn khí trơ khoảng 1 torr thì điện

tử thứ cấp phát xạ từ ca tốt, được tăng tốc trong điện trường cao áp, làm ion hóa cácnguyên tử khí, do đó tạo ra lớp plasma Các ion khí Ar+bị hút về ca tốt, bắn phá lênvật liệu bia (thuốc mạ) làm bật các nguyên tử ra khỏi bề mặt ca tốt và bốc bay lênanốt phủ lên bề mặt sản phẩm lớp mạ

-Đặc điểm là hiệu suất phún xạ thấp, do đó ít sử dụng trong chế tạo màng

1.1.3.2 Phún xạ cao tần

Tiếng anh viết là “radio frequency sputtering” dịch đúng nghĩa là phún xạtần số radio, là dải tần số cao, ta quen gọi là phún xạ cao tần Điện áp đặt trên điệncực của hệ chân không là nguồn xoay chiều tần số 0,1MHz trở lên, điện áp 0,5 đến1kV Hình 1.2 thể hiện sơ đồ hệ thiết bị phún xạ cao tần có tụ điện làm việc theo cơchế phóng điện trên đĩa song song

Hình 1.2: Sơ đồ phóng điện cao tần có tụ điện chặn

để tăng hiệu suất bắn phá ion

Thiết bị phún xạ cao tần sử dụng phổ biến tần số là 13,56MHz, mật độ dòngion tổng hợp đến bia khoảng 1mA/cm2, trong khi đó biên độ của dòng cao tần tổnghợp cao hơn rất nhiều Máy phát cao tần được thiết kế chuyên dụng để nâng caohiệu suất phún xạ: tụ điện ghép nối tiếp để có thể phún xạ được tất cả các loại bia,mạch điện được thiết kế tự bù trừ để quá trình truyền năng lượng từ nguồn cao tầnsang plasma đạt hiệu suất Kích thước buồng giống của thiết bị phún xạ cao áp mộtchiều Có thể lai ghép trên một thiết bị hệ phún xạ gồm cả phún cao tần và cao ápmột chiều, khi đó tiếng anh gọi là hệ “co – sputtering” Nguyên lý làm việc củaphún xạ cao tần giống như nguyên lý làm việc cảu phún ạ cao áp một chiều

Phún xạ cao tần có nhiều ưu điểm hơn phún xạ cao áp 1 chiều, vì: điện ápthấp, phún xạ trong áp suất khí thấp hơn, tốc độ phún xạ lớn hơn, phún xạ được tấtcả các loại vật liệu từ kim loại đến ôxít hay vật liệu cách điện Plasma trong phúnxạ cao tần được hình thành và duy trì nhờ nguồn cao tần giống như quá trình ionhóa xảy ra trong phún xạ cao áp Tuy nhiên, hiệu suất phún xạ mà thiết bị cao tầnnày tạo ra vẫn chưa cao lắm Phún xạ magnetron DC khắc phục được nhược điểm

đó

1.1.3.3 Phún xạ magnetron

Hệ thiết bị tạo ra sự phóng điện trong điện trường có sử dụng nam châm.Ngay từ những năm 70 magnetron đã được sử dụng trong các hệ phún xạ cao tần vàcao áp để tăng tốc độ phún xạ Nam châm được đặt cố định dưới ca tốt (bia), trên catốt đặt thuốc mạ Với cấu hình điện cực của hai phương pháp phún xạ trên đều có

điện trường vuông góc với bề mặt kia Còn với magnetron, chúng ta thấy từ trườngcủa các nam châm tạo ra đường sức vuông góc với điện trường (có nghĩa là songsong với mặt phẳng của bia) Vì thế, từ trường được tập trung và tăng cường plasma

ở vùng gần bia Thêm magnetron vào cả hai hệ phún xạ trên đều làm tăng hiệu suấtbắn phá ion, do đó tốc độ phún xạ được cải tạo nhiều Nói chung sự phóng điệnmagnetron với việc kích thích bằng cao áp một chiều hay cao tần có hiệu suất caohơn hẳn so với trường hợp phóng điện không dùng bẫy điện tử nhờ từ trường củacác nam châm Cấu hình như mô tả ở hình 1.3

Hình 1 3: Sơ đồ nguyên lý bẫy điện từ bằng từ trường

trong hệ phún xạ magnetron

Tạo ra hiệu ứng cuốn điện tử, điện tử có thêm chuyển động quanh bia nhưnhững “con quay” Bán kính quỹ đạo của con quay trong hệ phún xạ thực có kíchthước nhỏ khoảng vài milimet, nên có tác dụng giam hãm các điện tử ở gần bề mặtbia Các điện tử chuyển động quanh đường sức cho đến khi chúng bị tán xạ bởinguyên tử Để đạt hiệu suất giam giữ điện tử tốt nhất, người ta đã sử dụng các namchâm có cảm ứng từ cỡ 200-500G

Magnetron phẳng trong phún xạ cao áp thường làm việc trong áp suất khíargon 0,5 đến 30m Torr, điện thế 300-700 V, mật độ dòng ion trên ca tốt khoảng 4

đến 60mA/cm2 Nếu không dùng magnetron điện thế phải nâng cao lên đến 5-7kV,gấp khoảng 10 lần, trong khi tốc độ phún xạ vẫn chưa đạt giá trị như khi dùngmagnetron

Magnetron phẳng trong phún xạ cao tần làm việc ở điện thế thấp hơn, ở vàokhoảng 500 V so với phún xạ cao tần khi không sử dụng bẫy điện từ Đặc điểmmagnetron cao tần có hiệu suất bằng một nửa magnetron cao áp 1 chiều, nhưng nólại phún xạ được trên các loại vật liệu cách điện

Phương pháp phún xạ magnetron DC có nhiều ưu điểm hơn so với phún xạkhông có magnetron do tiêu hao điện năng ít hơn, độ bám dính màng tốt hơn

* Ưu, nhược điểm chung của phương pháp phún xạ:

a ưu điểm:

- Tất cả các loại vật liệu đều có thể phún xạ

- Bia để phún xạ thường dùng được lâu, vì lớp phún xạ rất mỏng

- Có thể đặt bia theo nhiều hướng, trong nhiều trường hợp có thể dùng biadiện tích lớn, do đó bia là nguồn “bốc bay” rất lớn

- Bia có sử dụng magnetron, được thiết kế đa dạng, có thể thiết kế theo hìnhdạng bề mặt đế (hình côn, hoặc cầu)

- Quy trình phún xạ ổn định, dễ thao tác lặp lại, và tự động hóa

- Độ bám dính của màng với đế tốt

b Nhược điểm:

-Phần lớn năng lượng tập trung lên bia, làm nóng bia, nên phải có hệ làmmát bia

- Bia thường khó chế tạo và đắt tiền

- Hiệu suất sử dụng bia thấp (thường bia dùng một thời gian có hiện tượnggiòn)

- Trong nhiều trường hợp không cần đốt nóng đế, nhưng nó vẫn luôn bị đốtnóng

1.2 Giới thiệu về các thiết bị mạ chân không và công nghệ mạ hiện có của đơn vị

Đơn vị được Tổng cục Công nghiệp quốc phòng - Bộ quốc phòng trang bịmột số thiết bị mạ chân không, có những thiết bị được đầu tư từ những năm 60, cóthiết bị mới được đầu tư mới để phục vụ cho quá trình sản xuất tại đơn vị, số thiết bịtrên cụ thể như sau:

- Máy mạ chân không HKT xuất xứ Trung Quốc là thiết bị sử dụng phươngpháp mạ bốc bay bằng nhiệt điện trở Thiết bị này đã cũ, hiệu xuất thấp nên ít sửdụng

- Máy mạ DREVA OPT400 xuất sứ Đức, máy mạ theo phương pháp bốc baynhiệt điện trở và bốc bay bằng tia điện tử, buồng mạ nhỏ, vật liệu bốc bay được cân

đo chính xác đến miligam, đặt trong các thuyền mạ bằng vật liệu như tan tan, môlíp đen, Ưu điểm của thiết bị này là hiệu suất cao, chạy ổn định về điện Nhược

điểm là bộ phận khống chế chiều dày lớp mạ không hoạt động, thay vào đó, mạhoàn toàn dựa vào thực nghiệm

- Thiết bị mạ chân không do Nga sản xuất kí hiệu BY2M, hoạt động theonguyên lý bốc bay bằng nhiệt điện trở và bốc bay bằng tia điện tử, có buồng làmviệc lớn, có khả năng mạ được các chi tiết quang lớn kích thước khoảng 200mm, có

bộ phận đo và khống chế chiều dày lớp màng khá dễ sử dụng Tuy nhiên hệ thống

điều khiển thiết bị cồng kềnh, phức tạp nên cần phải được cải tiến để đạt hiệu xuấtcao

1.3 Giới thiệu thiết bị mạ chân không ở một số cơ sở trong nước.

Nhà máy Z133 - Tổng cục kỹ thuật có các thiết bị sau

- Máy mạ DREVA OPT400 mới, đây là máy mạ chân không kiểu bốc baytia điện tử và nhiệt điện trở, giống của đơn vị

- Máy mạ PROVAC (xuất xứ Đức) có lựa chọn để mạ màng bằng cách tạoion- plasma

Trung tâm Quang điện tử- Viện ứng dụng công nghệ C6 – Thanh xuân HàNội Hiện nay trung tâm có các máy mạ sau đây

- Máy mạ Z550 xuất xứ Đức, mạ màng mỏng bằng phương pháp phún xạcao tần (Rf: radio frequency sputtering).

- Máy mạ B300 xuất xứ Đức, mạ phún xạ DC magnetron, có thể chế tạocác màng đơn lớp như Ag, Cr, Ni, Al, ,, đồng thời các màng cứng TiN, TiCN,ZrN

- Máy mạ TINA 900 xuất xứ Đức, mạ bốc bay điện trở, súng điện tử, đồngthời viện đã chủ động lai ghép để có thể mạ hồ quang

- Máy mạ B500 xuất xứ Đức, chuyên để mạ màng tích hợp nhiều lớp, sửdụng súng điện tử có ion hóa (IAD)

Trường đại học khoa học tự nhiên đại học quốc gia Hà nội hiện nay có máyUnivex 450, mạ màng bằng phún xạ ca tốt

Hình 1.4: Thiết bị mạ của trường Đại hoc KHTN thành phố HCM

Qua phần nghiên cứu, giới thiệu ở trên, sau đây là phần lựa chọn thiết bị

đưa vào nghiên cứu cải tạo thuộc lĩnh vực của đề tài.

1.4 Thiết bị mạ và công nghệ được lựa chọn đưa vào nghiên cứu cải tiến.

Qua giới thiệu và phân tích thiết bị và công nghệ mạ hiện có tại đơn vị, emlựa chọn thiết bị mạ chân không BY2M đưa vào nghiên cứu cải tiến thuộc nội dungcủa đề tài vì các lý do sau:

- Thiết bị mạ chân không HKT có kích thước nhỏ, thiết bị cũ, hệ thống cơkhí kém, công nghệ mạ không ổn định, đơn vị không có nhu cầu cải tạo để đưa vào

sử dụng

- Thiết bị chân không DREVA OPT400 : Hệ thống chân không và các thông

số công nghệ tốt, hệ thống điều khiển gọn nhẹ có độ tin cậy cao nên hiện tại chưacần đầu tư kinh phí để nâng cấp, cải tiến

- Thiết bị chân không BY2M do Nga sản xuất: mặc dù thiết bị mới được đầutư năm 2001, hê thống cơ khí tốt, tuy nhiên hệ thống điều khiển cồng kềnh và hoạt

động không tin cậy, không chạy được chế độ tự động do vậy hiệu suất thấp Để đạt

được hiệu suất cao hơn thiết bị cần được cải tiến, nâng cấp, do vậy thiết bị mạ chânkhông được lựa chọn để đưa vào nghiên cứu, cải tiến thuộc đề tài này

Chương 2 Nghiên cứu đánh giá hiện trạng

hệ thống điều khiển mạ chân không 2.1 Giới thiệu về máy mạ chân không BY2M.

Máy mạ chân không BY2M do Nga sản xuất năm 2001, Tổng cục côngnghiệp quốc phòng - Bộ quốc phòng đầu tư cho đơn vị năm 2003, hình dạng bênngoài của máy được thể hiện ở hình 2.1; 2.2

Hình 2.1 Mặt trước của máy mạ chân không BY2M

H×nh 2.2 M¸y m¹ ch©n kh«ng BY2M khi cöa buång ch©n kh«ng më

H×nh 2.3 MÆt sau cña m¸y m¹ ch©n kh«ng

2.2 Các hệ thống chính và phụ trợ trong máy mạ chân không BY2M

2.2.1 Hệ thống chính

Hệ thống chính bao gồm 08 hệ thống sau:

1 Hệ thống hút chân không

2 Hệ thống đo chân không

3 Hệ thống gia nhiệt (sấy buồng chân không)

4 Hệ thống iông hoá(khử tạp chất)

Chức năng của từng phần tử trong hệ thống mạ chõn khụng sẽ được tỡm hiểu

ở phần tiếp sau đõy (mục 2.3)

2.3 Chức năng của các hệ thống chính và phụ trợ trong máy mạ chân không 2.3.1 Hệ thống hút chân không.

Hệ thống hút chân không dùng để hút chân không trong buồng mạ trước khimạ sản phẩm, áp suất chân không trong khoảng từ 10-3at đến 10-7 at Tuỳ theotừng chế độ công nghệ, độ chân không trong buồng sẽ được qui định phự hợp

2.3.1.1 Các thiết bị trong hệ thống hút chân không

a Buồng chân không.

Buồng chân không có đường kính 400mm, có gioăng làm kín ở cửa buồng.Các thiết bị được đặt trong buồng chân không bao gồm: thiết bị gia nhiệt(để xấybuồng chân không), giá để sản phẩm, dây điện trở vonfram (để làm máng chứathuốc mạ), bộ iông hoá (để khử tạp chất), các cảm biến chân không (để đo chânkhông), cảm biến nhiệt (để đo nhiệt độ) Hỡnh 2.4 biểu diễn buồng chân không củamỏy mạ chõn khụng

Hình 2.4 : Buồng chân không khi mở

b Thiết bị đóng cắt;

Bao gồm các công tắc tơ, khởi động từ và các nút ấn được điều khiển bằngtay để đóng cắt quá trình hút chân không Mặt trước của bảng điều khiển hút chânkhông được biểu diễn trên hình 2.5

Hình 2.5: Bảng điều khiển hệ thống hút chân không

c Thiết bị chấp hành.

Bơm chân không Thấp 1 (CK1)

- Công suất: 0,5kw

- Điện áp làm việc: 380V 3 pha

- áp suất chân không tối đa:2x10-3

- Điện áp làm việc: 380V -3 pha

- áp suất chân không tối đa: 1x10-9at

Hình 2.7: Bơm khuyếch tán

Van điện từ ( YA1 ữ YA5) : Đóng mở các đường khí vào ra, được

điều khiển bằng điện: Điện áp làm việc: 120V; công suất: 20w

Hình 2.8: Các van điện từ đóng mở khí nén

2.3.1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống hút chân không

Qui trình hút chân không và nguyên lý làm việc được mụ tả trong phần này.

a Qui trình công nghệ hút chân không.

Sơ đồ hệ thống hút chân không được biểu diễn ở hình 2.9

Buồng chân không

CK1 CK2

CK3

BT1

BT2 BT3 BP2

YA1

YA4

YA6

YA5 YA19

1

2 3

4 5

6

5.10 -15.10 -2

Bước 1: Bật bơm hút chân không thấp 1(CK1) và mở van YA1 để hút chân

không theo đường 1,2,3 Khi chân không đo tại sen sơ BT1 đạt ≤ 5.10-1 thì bơmchân không Thấp 2 (CK2) tự động làm việc (để tăng công suất hút chân không theo

đường 1,2,3) Khi chân không đo tại sen sơ BT1 ≤5.10-2at thì tiến hành bước 2

Bước 2: Mở van YA4 để hút chân không theo đường 1,2,3,4 Khi chân

không đo tại sen sơ BT2 đạt≤1.10-2at thì tiến hành bước 3

Bước 3: Bật bơm chân không cao để hút chân không theo đường 1,2,3,4,5.

Khi chân không đo tại sen so BP1 đạt≤5.10-3at , sen sơ BT3 ≈100at thì tiến hànhbước 4

Bước 4: Khoá van YA4 mở van YA5 để hút chân không theo đường 1,2,3,6.

Khi chân không đo tại sen sơ BT3 đạt≤1.10-2thì tiến hành bước 5

Bước 5: Khoá van YA5, mở van YA4 để hút chân không theo đường 1,2,3,4.

Khi chân không đo tại sen sơ BT2 đạt≤1.10-2at thì tiến hành bước 6

Bước 6: Bật bơm khuyếch tán để hút chân không theo đường 1,2,3,4,5 Khi

chân không đo tại sen so BP1 đạt≤1.10-3at thì tiến hành bước 7

Bước 7: Mở van YA6 để hút chân không theo đường 1,2,3,4,5,6 Khi chân

b.Nguyên lý làm việc của hệ thống hút chân không.

Sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển được biểu diễn bằnghình 2.10 và 2.11, với các kí hiệu và tên gọi được ghi ở bảng 2.1

17 16

15

5 2

8

14 13

11 10

9

7 6

3 1

SK1 KK2

AB

KK1 120v

220v

YA6 KV19

YA5

YA4

SQ19 KV17

KM3 SB4

KV10

SP2 SB3

SB2 KM1

SB1

KM3 KM2 KM1

Hình 2.11a Sơ đồ mạch điều khiển hút chân không

KV2 SQ8

Tiếp điểm 4,5 ( x3) của BT1

Tiếp điểm 3,4 (X1) của BP1

<1.10 -2

(BT3)

tiếp điểm 1,2 (X5) đ tiếp điểm 1,2 (X1) đ

đóng rơ le nhiệt

Nguyên lý làm việc của hệ thống hút chân không

Đóng áp tô mát AB để cấp điện vào hệ thống, giả thiết lúc này hệ thống đã

được cung cấp đầy đủ nước, khí nén, khi đó tiếp điểm 10, 11 của công tắc hànhtrình SP2 đóng, tiếp điểm 26, 31 của công tắc hành trình SP1 đóng, rơ le KV10 có

điện theo đường 26, 31, 35 KV10 có điện làm tiếp điểm thường mở 11, 12 củaKV10 đóng lại sẵn sàng cho bơm CK3 vào làm việc

• Giai đoạn 1: Khởi tạo hệ thống hút chân không.

Bước 1: ấn nút SB1 khởi động từ KM1 và cuộn van YA1 có điện theo đường1,3,4 và tự duy trì theo đường 1,6,3,4,5 Khởi động từ KM1 có điện sẽ đóng các tiếp

điểm thường mở trên mạch động lực (hình 2.10) và đóng tiếp điểm thường mở 1,6trên mạch điều khiển, động cơ CK1 có điện và tiến hành hút chân không theo

đường 1,2,3 hình 2.9 Khi áp suất chân không đo tại sen sơ BT1 đạt 5.10-1at (tiếp

điểm 4,5 của X3 trên bộ đo chân không sơ bộ đóng) thì điểm 3,7 được nối tắt thôngqua tiếp điểm 4,5 của X3 trên bộ đo chân không sơ bộ, khởi động từ KM2 có điệntheo đường 1,6,3,7,8,5 KM2 có điện sẽ đóng các tiếp điểm thường mở trên mạch

động lực (hình 2.10), bơm sơ bộ CK2 làm việc Lúc này bơm CK1 và CK2 được đấunối tiếp và tiếp tục hút chân không theo đường 1,2,3 hình 2.9 Khi áp suất chânkhông đo tại sen sơ BT1 đạt≈5.10-2at (tiếp điểm 4,5 của X3 trên bộ đo chân không

đóng) thì điểm 34, 35 được nối tắt thông qua tiếp điểm 4,5 của X3 trên bộ đo chânkhông, lúc này tiến hành bước 2

Bước 2: ấn nút SB8 làm rơ le KV17 có điện và tự duy trì theo đường 26, 33,

34, 35, 36, 25 (tiếp điểm thường đóng KV4, KV18 vẫn ở trạng thái đóng vì cuộnhút KV4, KV18 không có điện) KV17 có điện sẽ đóng tiếp điểm thường mở 6, 16(lúc này tiếp điểm 16, 17 của công tắc hành trình SQ19 đóng do YA5 không làmviệc) làm cho YA4 có điện theo đường 6, 16, 17, 5 YA4 có điện làm van điện từYA4 mở ra, lúc này bơm CK2 hút chân không theo đường 1,2,3,4 hình 2.10 Quátrình hút chân không được duy trì tới khi áp suất chân không đo tại sen so BT2 đạt

≤1.10-2at (tiếp điểm 4,5 của X4 rên bộ đo chân không đóng) thì đầu 12, 13 đượcnối tắt thông qua tiếp điểm 4,5 của X4 rên bộ đo chân không thì tiến hành bước 3

Bước 3: ấn nút SB3 làm KM3 có điện và tự duy trì theo đường 6,9,10,11,13, 14, 5 (lúc này tiếp điểm 9, 10 của KV13 và 11, 12 của rơ le KV10 đóng dorơ le KV10 và KV13 có điện) KM3 có điện sẽ đóng các tiếp điểm trên mạch độnglực (hình 2.10), bơm CK3 hoạt động cùng CK1, CK2 hút chân không theo đường1,2,3,4,5 Quá trình hút chân không diễn ra tới khi chân không đo tại sen so BP1≈

5.10-3at (tiếp điểm 1,2 của X5 và 1,2 của X1 trên bộ đo chân không đóng) làm đầu

38 , 39 nối lại thông qua tiếp điểm 1,2 của X5 và 1,2 của X1 trên bộ đo chân không,tiến hành bước 4

Bước 4: ấn nút ấn SB10 (lúc này van mở cửa chân không đang khoá nênSQ12 đóng làm KV6 có điện KV16 có điện làm tiếp điểm 39, 40 của KV6 đóng lạilàm KV18 có điện và tự duy trì theo đường 26,38,39,40, 25 KV18 có điện, tiếp 33,

34 của KV18 mở ra, KV17 mất điện, YA4 khoá lại KV18 có điện làm sẽ đóng tiếp

điểm thường mở 6, 18 lại (lúc này tiếp điểm 18, 19 của SQ20 đóng do YA4 khoá),YA5 có điện theo đường 6,18,19, 5, van YA5 mở ra để hút chân không theo đường1,2,3,6 hình 1.9 Quá trình hút chân không theo tuyến này tiếp tục duy trì đến khisenso đo tại BT3 đạt ≈ 1.10-2at thì tiếp điểm 1,2 của X5 trên bộ đo chân không sơ

bộ mở ra làm KV18 mất điện do hở mạch KV18 mất điện sẽ đóng tiếp điểm 33,

34 lại, lúc này tiến hành bước 5

Bước 5: ấn nút SB8 làm KV17 có điện và tự duy trì theo đường 26, 33, 34,

35, 36, 25 (lúc này tiếp điểm 35, 36 của KV4 đóng; tiếp điểm 33, 34 của KV18

đóng) KV17 có điện sẽ mở van YA4 , quá trình hút chân không lại lặp lại theo

đường 1,2,3,4 cho tới khi chân không đo tại sen sơ BT2 đạt ≈ 1.10-2at Khi chânkhông đo tại sen sơ BT2 đạt≈1.10-2at (tiếp điểm 4,5 của X4 trên bộ đo chân không

đóng) thì đầu 12, 13 được nối lại thông qua tiếp điểm 4,5 của X4 trên bộ đo chânkhông, lúc này tiến hành bước 6

Bước 6: ấn nút SB3 làm khởi động từ KM3 có điện theo 6,9, 10, 11, 13,14,5(lúc này tiếp điểm 9, 10 của KV13 đóng do rơ le KV13 đang có điện; tiếp điểm 11,

12 của KV10 đóng do KV10 đang có điện) KM3 có điện nên bơm khuyếch tán tiếptục vào làm việc để cùng với bơm CK1, CK2 hút chân không theo đường 1,2,3,4,5

tới khi chân không đo tại BP1 đạt≈ 2.10-3at (tiếp điểm 3,4 của X1 trên bộ đo chânkhông đóng) đầu nối 42a và 43 nối lại thông qua tiếp điểm 3,4 của X1 trên bộ đochân không, lúc này tiến hành bước 7.

Bước 7: ấn nút SB12 làm rơ le KV19 có điện và tự duy trì theo đường 26,

41, 42, 43 (lúc này tiếp điểm 41, 42 của KV3 đóng do KV 3 có điện) KV19 có

điện làm tiếp điểm 6, 20 của KV19 đóng, YA6 có điện theo đường 6,20,5 YA6 có

điện mở, tiến hành hút chân không theo đường 1,2,3,4,5,6 Duy trì quá trình hútchân không tới khi đạt áp suất chân không yêu cầu

• Giai đoạn 2: Dừng hệ thống hút chân không.

Bước 1: Tắt van YA6 (đóng cửa ngăn cách giữa bơm CK3 và buồng chân

không)

ấn nút SB 13, khi đó rơ le KV19 mất điện KV19 mất điện làm tiếp điểm 6,

20 của KV19 mở ra làm YA6 mất điện và khoá lại

Bước 2: Tắt bơm CK3

ấn nút SB 4, khi đó khởi động từ KM3 mất điện làm các tiếp điểm thường

mở của nó trên mạch động lực và mạch điều khiển mở ra, động cơ CK3 mất điện vàngừng làm việc

Bước 3: Khoá van YA4

ấn nút SB9, khởi động từ KV17 mất điện làm tiếp điểm 6, 16 của KV17 mở

ra, YA4 mất điện và khoá van lại

Bước 4: Tắt bơm CK1, CK2

ấn nút SB2, khởi động từ KM2, KM1 mất điện làm các tiếp điểm thường mởcủa khởi động từ KM1, KM2 mở ra cắt điện vào bơm CK1, CK2 làm bơm dừng lại

Bước 5: Tắt các hệ thống phụ trợ.

2.3.1.3 ưu nhược điểm của hệ thống hút chân không.

 ưu điểm: Độ chân không cao

 Nhược điểm:

 Mạch điều khiển cồng kềnh, phức tạp, độ tin cậy thấp

 Không điều khiển được bán tự động, năng suất thấp

 Khó sửa chữa thay thế do hệ thống kết nối phức tạp, linh kiện thaythế không sẵn có trên thị trường việt nam.

2.3.2 Hệ thống đo và hiển thị chân không.

Hệ thống đo và hiển thị chân không dùng để đo và hiển thị độ chân khôngtrong hệ thống, đồng thời tham gia vào quá trình điều khiển hệ thống hút chânkhông Giải đo và hiển thị chân không từ 100đến 10-9at

2.3.2.1 Các thiết bị trong hệ thống đo và hiển thị chân không

Vùng 2: đo chân không thấp ở đầu vào bơm chân không cao (CK3)

Vùng 3: đo chân không thấp trong buồng chân không

Cảm biến chân không cao hình 2.14 (dải đo từ 10-3at đến10-9 at) bao gồm 2sen so; kí hiệu là BP1, BP2 để đo 02 vùng chân không cao

Vùng 1: đo chân không cao ở đầu ra bơm chân không cao CK3

Vùng 2: đo chân không cao trong buồng chân không

Hình 2.13: Cảm biến chân không Hình 2.14: Cảm biến chân không

2.3.2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống đo và hiển thị chân không

Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống đo chân không được thể hiện ở hình2.15 và 2.16 Kí hiệu các phần tử đóng cắt được định nghĩa trong bảng 2.2

BT3

KM1 220V 110V

KM1 AB5

10 -7 -8

10

10 -10

-6 -9

Ct1 Ct2

BP1 BP2

-9 -6

-10

10 10

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý bộ hiển thị và đo chân không