熱處理的質(zhì)量控制系統(tǒng)

　　制造全過程質(zhì)量控制技術(shù)是一種既包括生產(chǎn)技術(shù)，又包括生產(chǎn)質(zhì)量管理的系統(tǒng)工程。實(shí)現(xiàn)制造全過程的質(zhì)量控制其內(nèi)涵包括兩個(gè)方面。一是要保證優(yōu)化工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，二是要保證穩(wěn)定不變的工藝條件，得到分散度極小的均一產(chǎn)品質(zhì)量。從表1中可看出機(jī)械制造過程質(zhì)量控制技術(shù)所包涵的要素及其相互關(guān)系。制造全過程質(zhì)量控制不僅要靠生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、工藝參數(shù)的在線控制、生產(chǎn)工藝參數(shù)對(duì)工藝效果的模擬優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)，而且還必須盡可能控制過程的智能化，這是當(dāng)前質(zhì)量控制技術(shù)發(fā)展的主要方向。

　　二、現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)

　　1.國內(nèi)外現(xiàn)狀

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高和普及，智能控制技術(shù)迅猛發(fā)展，為成形與改性生產(chǎn)技術(shù)的質(zhì)量控制的實(shí)際應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。目前各工業(yè)國家都相繼建立了專門的科研機(jī)構(gòu)，成立了相應(yīng)的學(xué)術(shù)團(tuán)體，出版了有關(guān)的刊物和專著。以熱處理生產(chǎn)的智能控制為例，我國上海交通大學(xué)近二十年來在熱處理計(jì)算機(jī)模擬與智能化理論和實(shí)踐方面取得了矚目成就，國家機(jī)械工業(yè)局北京機(jī)電研究所已建立的數(shù)據(jù)庫和專家決策系統(tǒng)以及當(dāng)前開展的材料熱處理組織和性能模擬技術(shù)的研究開發(fā)亦獲得了明顯成績(jī)。1995年，國際熱處理與表面工程聯(lián)合會(huì)(IFHT)增設(shè)了熱處理智能化技術(shù)委員會(huì)，我國上海交通大學(xué)潘建生教授擔(dān)任首任主席。

　　熱處理工藝數(shù)據(jù)庫和專家決策系統(tǒng)的建立，為實(shí)現(xiàn)熱處理質(zhì)量控制創(chuàng)造了條件。早在七十年代初，美國金屬學(xué)會(huì)(ASM)、英國的沃爾夫遜熱處理中心(Wolfson Heat Treatment Center)以及原南斯拉夫(現(xiàn)克羅地亞)都相繼建立了材料與熱處理數(shù)據(jù)庫，做到了可以根據(jù)機(jī)件熱處理后力學(xué)性能要求進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助選材，或已知材料和熱處理工藝預(yù)見最后的組織和性能。隨后歐美、日本等先進(jìn)工業(yè)國家開發(fā)出用計(jì)算機(jī)對(duì)各種熱處理工藝過程的控制技術(shù)，開展了計(jì)算機(jī)控制下的工藝參數(shù)數(shù)?？刂萍夹g(shù)研究，并在生產(chǎn)中獲得了應(yīng)用。目前國際知名廠家的許多連續(xù)式和周期式熱處理生產(chǎn)線都采取了用可編程控制器(Programable Controller)或微處理機(jī)的單控或群控，使整個(gè)生產(chǎn)工藝過程、爐氣碳勢(shì)、氮?jiǎng)菀约捌錆舛妊厣疃鹊姆植家?guī)律都能實(shí)現(xiàn)按預(yù)定的要求嚴(yán)格控制。我國的科研院所、大專院校、汽車行業(yè)的一些大廠在消化吸收引進(jìn)技術(shù)和自行開發(fā)的基礎(chǔ)上已基本掌握了這些先進(jìn)技術(shù)。當(dāng)前，在熱處理界已開創(chuàng)了一個(gè)廣泛利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的新時(shí)代。

　　2.發(fā)展趨勢(shì)

　　質(zhì)量控制技術(shù)發(fā)展的前沿突出表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

　　(1)質(zhì)量在線控制技術(shù)

　　熱處理質(zhì)量的在線控制技術(shù)中溫度、時(shí)間和爐氣成分是最基本的控制參數(shù)。在溫度控制方面，國內(nèi)外已廣泛采用可控硅控溫技術(shù)，結(jié)合PID儀表可使熱過程溫度控制在相當(dāng)精確范圍。對(duì)于大型零件和大裝爐量的熱處理和鍛造加熱過程，在整爐工件的真空加熱中目前已采用專用儀表、可編程控制器、微處理機(jī)等實(shí)現(xiàn)按工藝要求規(guī)定溫度變化規(guī)律(加熱速度、保溫臺(tái)階、保溫時(shí)間、隨爐冷速、氣冷冷速等)施行加熱和冷卻，并可在工藝過程的自始至終實(shí)現(xiàn)時(shí)溫度的跟蹤。在爐氣控制方面，從傳感器角度在國內(nèi)外都經(jīng)歷了一個(gè)露點(diǎn)法——紅外儀——氧探頭的發(fā)展過程。目前在吸熱式氣氛、氮基合成氣氛和滴注式氣氛中滲碳，利用氧探頭作傳感器，在嚴(yán)格控制爐溫和爐氣良好筆循環(huán)的前提下可以使?fàn)t氣碳勢(shì)(鋼表面含碳量)達(dá)到±0.05～0.02%的精度。利用微處理機(jī)對(duì)溫度、爐氣碳勢(shì)、強(qiáng)滲與擴(kuò)散時(shí)間的精確控制，現(xiàn)在國內(nèi)外都可以實(shí)現(xiàn)表面碳含量、滲層深度、滲層碳濃度梯度按一定規(guī)律分布的質(zhì)量的在線控制。

　　對(duì)于熱處理質(zhì)量的在線控制技術(shù)，目前迫切需要考慮的是直生式可近期氣氛滲碳時(shí)的碳勢(shì)精確控制、甲醇—?dú)洹?煤油)合成氣氛滲碳時(shí)的工件表面碳濃度分布的自適應(yīng)控制，鍛熱淬火生產(chǎn)線溫度的在線控制，鍛模和沖壓模磨損量在線監(jiān)測(cè)等。

　　(2)無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)

　　對(duì)零件質(zhì)量和內(nèi)部缺陷進(jìn)行100%的無損檢測(cè)是先進(jìn)制造技術(shù)質(zhì)量控制的發(fā)展趨向之一，電、磁、聲、光等物理學(xué)的進(jìn)步給無損檢測(cè)技術(shù)以極大的推動(dòng)，同時(shí)由于航空、宇航、核電等工業(yè)的高速發(fā)展，促使了無損檢測(cè)技術(shù)的飛躍。在無損探傷技術(shù)中除了常用的射線、超聲波、磁力、電磁感應(yīng)(渦流)、滲透(熒光、著色)等方法外，近代不斷涌現(xiàn)的無損探傷技術(shù)有電子透射照相法、高能X射線法、射線層析照相法、光學(xué)全息法、超聲全息法、紅外測(cè)試法、微波測(cè)試法等。材料和零件性能的無損檢測(cè)方法中包括有剩磁法、矯頑力法、渦流法、磁噪聲法(巴克森效應(yīng)法)、高次諧波法、超聲散射回波法以及聲發(fā)射法等。

　　國外十分注重在線無損檢測(cè)的應(yīng)用，以檢查管材、型材表面和表面層下缺陷的渦流探傷法為例，德國FORSTER研究所已開發(fā)出Φ2～30mm管板材渦流自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，最高檢測(cè)速度達(dá)到4m/s，最大靈敏度30μm。該研究所還開發(fā)出旋轉(zhuǎn)式和穿過式探頭系列產(chǎn)品，系列化、產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)已相當(dāng)成熟。國內(nèi)近20年來引進(jìn)了包括傳統(tǒng)渦流檢測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流、滲層渦流、多頻渦流、預(yù)多頻渦流在內(nèi)的多項(xiàng)技術(shù)和設(shè)備儀器，不少單位也自行開發(fā)了此類技術(shù)，但成熟性不高，引進(jìn)設(shè)備使用好的也不多，大多不能在生產(chǎn)線上正常運(yùn)行。

　　在無損檢測(cè)的前沿課題中，生產(chǎn)迫切需要解決的有鐵磁性管、棒、絲狀材料多維渦流檢測(cè)方法和設(shè)備，感應(yīng)加熱表面淬硬層、滲碳淬硬層深度的無損檢測(cè)方法和設(shè)備，批量生產(chǎn)零件熱處理后硬度的在線無損檢測(cè)方法和設(shè)備，厚壁容器焊接過程實(shí)時(shí)檢測(cè)缺陷圖像處理與顯示，大批量生產(chǎn)球墨兒鐵零件球比率及基體組織的在線無損檢測(cè)系統(tǒng)，高分辨力X射線在線無損檢測(cè)系統(tǒng)等。

　　(3)統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)技術(shù)

　　統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)技術(shù)是集生產(chǎn)技術(shù)與科學(xué)管理于一體的現(xiàn)代質(zhì)量管理技術(shù)，在此方向?qū)儆谇把丶夹g(shù)的有：滲碳淬火SPC質(zhì)量控制、精密成形(壓鑄、精鍛等)SPC質(zhì)量控制和熱處理畸變的SPC質(zhì)量控制等。

　　人類的生產(chǎn)過程對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的控制經(jīng)歷了以下七個(gè)步驟：①調(diào)查了解產(chǎn)品最終質(zhì)量情況；②分析個(gè)別明顯影響質(zhì)量的因素；③靠人工調(diào)節(jié)控制這些因素的變化；④自動(dòng)控制這些影響因素；⑤用統(tǒng)計(jì)方法獲得生產(chǎn)效果連續(xù)變化的規(guī)律；⑥全面調(diào)查了解影響質(zhì)量的其它次要因素；⑦考慮所有因素，建立完整的理論模型用以控制整個(gè)生產(chǎn)過程，得到100%的優(yōu)質(zhì)合格產(chǎn)品。目前國際上不少工業(yè)先進(jìn)國家的企業(yè)已開始試行第七個(gè)步驟的SPC生產(chǎn)，據(jù)報(bào)道SPC技術(shù)已在熱處理生產(chǎn)中突出地產(chǎn)生了效果。美國FORD公司、DONA公司、英國BLANDBURGH NENO熱處理廠都在研究SPC技術(shù)用于熱處理的質(zhì)量控制。美國PENNSYLVANIA bbbbLLURGICAL公司在1018鋼件碳氮共滲過程中最初有25%工件超過要求深度上限(0.46MM)，有0.83%的工件達(dá)不到滲層下限(0.20MM)，通過統(tǒng)計(jì)過程分析，改進(jìn)了工藝，采取了縮短共滲時(shí)間、降低爐氣碳勢(shì)、改進(jìn)料筐、改善爐氣循環(huán)等措施，最后使超過上限的工件減少到2.9%，低于下限的工件為0.01%。

　　我國成形與改性生產(chǎn)的質(zhì)量控制過程當(dāng)前只限于第1～3步驟，個(gè)別企業(yè)實(shí)現(xiàn)了個(gè)別影響因素的自動(dòng)控制，尚談不到SPC技術(shù)的系統(tǒng)研究開發(fā)和應(yīng)用。

　　(4)精密傳感技術(shù)

　　在機(jī)械制造熱加工成形和改性技術(shù)中使用最普遍的是溫度傳感器，在溫度傳感器中當(dāng)前最突出的是在高溫、特種氣氛、特別液體中工作的測(cè)溫元件，如在高溫還原性和滲碳性氣氛、高溫高真空、高溫液態(tài)金屬、熔鹽中長期工作的熱電偶。其次是高精確度長壽命、可測(cè)量爐氣微量氧和碳勢(shì)的氧化鋯氧濃差電池(氧探頭)，感知材料電磁特性微小變化，從而測(cè)出材料性能(硬度、強(qiáng)度、組織缺陷)變化的電磁感應(yīng)器和顯視儀表。還有發(fā)射超高頻聲波、具有高靈敏接收背散射聲波能力的探頭，感知淬火介質(zhì)冷卻烈度、氣液流量、壓強(qiáng)、校正施壓等精密傳感元件。

　　國際上90年代以硅為基材，采用微機(jī)械加工技術(shù)制造的各種傳感器發(fā)展最快，應(yīng)用微處理器技術(shù)的光學(xué)和固態(tài)傳感器也已被廣泛應(yīng)用，傳感器和執(zhí)行器一體化是今后的重點(diǎn)發(fā)展方向，尺寸更微型化、價(jià)格更便宜和性能更可靠是傳感器發(fā)展的主要趨勢(shì)。

　　80年代以來，我國的敏感元器件及傳感器的開發(fā)和生產(chǎn)已形成產(chǎn)業(yè)，1990年的產(chǎn)值已達(dá)7.7億元，高溫?zé)犭娕?、氧探頭、熱敏、光敏、氣敏、濕敏、氣壓元件等國內(nèi)都已掌握制造，有產(chǎn)品供應(yīng)。但這些國產(chǎn)傳感器的靈敏度一般比較低，尤其是可靠性差，使用壽命低，某些傳感器規(guī)格不全，不能滿足生產(chǎn)需要，和先進(jìn)工業(yè)國家比較尚有10～20年的差距。

　　三、“十五”目標(biāo)及主要研究?jī)?nèi)容

　　1.目標(biāo)

　　(1)以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無污染、高可靠性為出發(fā)點(diǎn)，掌握成形與改性加工的在線質(zhì)量控制技術(shù)；在批量生產(chǎn)條件下盡可能推廣使用各種在線質(zhì)量控制技術(shù)；在汽車、拖拉機(jī)、工程機(jī)械、緊固件、量刃具等行業(yè)初步實(shí)現(xiàn)成形與改性加工的在線質(zhì)量控制生產(chǎn)。

　　(2)圍繞宇航、航空、核電等重大產(chǎn)品研制與生產(chǎn)的需要，掌握高精度、高靈敏度、快速反應(yīng)的缺陷和質(zhì)量的無損檢測(cè)方法，開發(fā)成功鐵磁材料在線渦流檢測(cè)系統(tǒng)并用于鋼絲、管棒材的連續(xù)檢測(cè)；掌握熱處理淬硬層深度和硬度的在線無損檢測(cè)系統(tǒng)。

　　(3)在完善生產(chǎn)管理、充分各累質(zhì)量管理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，掌握統(tǒng)計(jì)過程質(zhì)量控制(SPC)技術(shù)，并首先在汽車、拖拉機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)件等有批量生產(chǎn)的行業(yè)推廣應(yīng)用。

　　(4)以成形與改性質(zhì)量控制技術(shù)應(yīng)用的傳感器的質(zhì)量、品種、可靠性和使用壽命為出發(fā)點(diǎn)，研究開發(fā)出真空和還原性氣體介質(zhì)中耐用的高溫?zé)犭娕己蜔犭娕急Ｗo(hù)材料、1100℃以上高溫測(cè)量用的輻射高溫計(jì)熱敏、光敏元件、在1000～1100℃和760℃以下使用的長壽命氧探頭(ZO濃差電池)、超高頻高靈敏度超聲波探頭、淬火介質(zhì)冷卻能力測(cè)定的高性能探頭、熱處理裂紋在線監(jiān)控的電磁渦流傳感器等。

　　2.主要研究?jī)?nèi)容

　　(1)鍛熱淬火生產(chǎn)線溫度的在線智能控制技術(shù)。解決快速均勻加熱方法和不用均熱爐保持工件鍛后淬火前溫度的均勻性問題。在鍛壓成形過程中推廣使用高效、無污染、少氧化的感應(yīng)加熱方法，通過對(duì)感應(yīng)電源功率和加熱時(shí)間的智能控制，使工件鍛造加熱溫度和鍛后淬火溫度嚴(yán)格保持在規(guī)定范圍內(nèi)。

　　(2)鍛壓模具和沖壓模具磨損量的在線檢測(cè)技術(shù)。研究采用光學(xué)多向投影技術(shù)在線測(cè)量鍛壓模具和沖壓模具的磨損具，達(dá)到及時(shí)報(bào)警、提醒操作者更換新模具，以保證鍛件和沖壓件的質(zhì)量和尺寸精度。

　　(3)直生式氣氛滲碳的碳勢(shì)在線精確控制技術(shù)。在煤油加空氣滴注式滲碳基礎(chǔ)上，研究開發(fā)出一套可精確控制爐內(nèi)氣氛的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在多用爐中的爐氣碳勢(shì)在線監(jiān)控。

　　(4)在合成氣氛中滲碳時(shí)的滲層和滲層碳濃度分布在自適應(yīng)控制技術(shù)。研究利用計(jì)算機(jī)在線控制強(qiáng)滲期和擴(kuò)散期的碳勢(shì)，自動(dòng)施行強(qiáng)滲到擴(kuò)散的轉(zhuǎn)換，自動(dòng)控制表面至含碳量0.4%處的深度，并在滲層深度40%處的含碳量只比表面含碳量低0.1%，實(shí)現(xiàn)所謂的碳濃度分布輪廓三點(diǎn)控制。

　　(5)鐵磁性管、棒、絲型材料和零部件缺陷快速檢測(cè)方法及設(shè)備?？蓪?duì)我縫鋼管、焊管、細(xì)棒、彈簧絲等鐵磁性管、棒、絲型材和零部件缺陷進(jìn)行快速準(zhǔn)確檢測(cè)，檢測(cè)速度0.5～4m/s，旋轉(zhuǎn)探頭轉(zhuǎn)速3000～6000rpm，檢測(cè)深度≥30μm，檢測(cè)精度為最小缺陷深度30μm，檢測(cè)頻率在1kHz～3MHz范圍內(nèi)可調(diào)?？蓹z測(cè)Φ5～25mm管棒絲材。

　　(6)鋼件熱處理后的硬度在線無損檢測(cè)方法和設(shè)備。開發(fā)對(duì)常用碳鋼(如45鋼)和合金鋼(如40Cr鋼)零件可準(zhǔn)確測(cè)定硬度的無損檢測(cè)方法，研制相應(yīng)的儀器和記錄分選機(jī)構(gòu)，用于柴油機(jī)連桿、軸承套圈、滾柱等零件的在線連續(xù)檢測(cè)。

　　(7)表面淬硬層深度無損檢測(cè)方法及設(shè)備。通過對(duì)超聲背散身材技術(shù)的研究，研制移動(dòng)式可無損測(cè)定軋輥及軸類件熱處理淬硬層的裝置，適用于批量生產(chǎn)100%的快速檢測(cè)，淬硬層測(cè)定范圍2～20mm，測(cè)量時(shí)間≤2s，測(cè)量精度±0.2mm。

　　(8)智能型高分辯率在線自動(dòng)無損檢測(cè)系統(tǒng)。研制開發(fā)智能型高分辯率X射線在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，用以連續(xù)檢測(cè)國產(chǎn)壓力容器焊縫。包括研制高分辯率實(shí)時(shí)圖像采信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和完成預(yù)處理及特征提取光學(xué)系統(tǒng)，研究常見缺陷特征，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)矩陣和聯(lián)想存貯器，對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行智能檢測(cè)并評(píng)價(jià)缺陷影響。主要技術(shù)參數(shù)：靈敏度1.5%；分辨率Φ0.1mm(鋼絲)；清晰度為水平≥500線、垂直≥450線；誤判漏判率0%；工作節(jié)拍2min/件。

　　(9)激光表面合金化時(shí)表面裂紋的在線檢測(cè)方法和儀器。研究開發(fā)靈敏可靠的表面裂紋檢測(cè)方法和儀器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)激光表面合金化的在線質(zhì)量監(jiān)控過程。

　　(10)國家重點(diǎn)工程和重大裝備發(fā)展所需的檢測(cè)設(shè)備的開發(fā)研制。包括高速路軌探傷車、核電站反應(yīng)堆壓力容器在役自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)、核電站蒸發(fā)器管道在役渦流自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、厚壁容器焊接過程實(shí)時(shí)檢測(cè)缺陷圖像處理與顯示系統(tǒng)、地中心孔電站轉(zhuǎn)子相控陣超聲檢測(cè)斷面顯示技術(shù)和設(shè)備。

　　(11)統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)技術(shù)。重點(diǎn)包括滲碳淬火SPC質(zhì)量控制技術(shù)、熱處理變形SPC質(zhì)量控制技術(shù)、精密成形SPC質(zhì)量控制技術(shù)。依據(jù)數(shù)據(jù)庫按照質(zhì)量要求優(yōu)選出各種工藝因素和生產(chǎn)條件并采用計(jì)算機(jī)模擬和控制，實(shí)現(xiàn)在線的SPC控制。

　　(12)精密傳感技術(shù)。研究開發(fā)的主要內(nèi)容包括：提高氧探頭測(cè)量精度和延長使用壽命；真空、高碳勢(shì)氣氛中高溫檢測(cè)溫度傳感器；超高頻高靈敏度超志波探頭；滲氮時(shí)的氮?jiǎng)輦鞲衅鳎淮慊鸾橘|(zhì)冷卻烈度適時(shí)檢測(cè)傳感器；提高氧探頭對(duì)碳黑的抵抗能力和在760℃以下工作的可能性。