计算机技术在我国热处理工业领域的应用和发展

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计算机应用

计算机技术在我国热处理工业领域的应用和发展
阎承沛 ( 北京机电研究所 ,北京 　 100083)

Abstract :This paper deals wit h application and development of computer and microelectronics technology on

heat treatment industrial fields in China from t he following six aspects : ( 1) computer simulation technology ; ( 2) CAD technology ; ( 3) processing control technolo2 gy and computer network system ; ( 4) heat treatment computer prediction technology ; ( 5) heat treatment database and specialist system ; ( 6) intelligent heat treatment and computer intellective instruments. Key words :computer technology ;heat treatment ;application ;development

) 作者简介 : 阎承沛 (194119 — ,男 , 北京人 , 教授级高工 。主要研究工 作为可控气氛热处理工艺与设备 , 真空热处理工艺与设备 , 计算机在 热处理的应用等 。联系电话 :629222772333 收稿日期 :2000204222

摘要 :从 6 个方面综合论述了计算机和微电子技术在我国热处理工业领域的应用和发展 。( 1 ) 计算机模拟技术 ; ( 2 ) CAD 技术 ; ( 3) 过程控制技术和网络系统 ; ( 4) 热处理计算机预测技术 ; ( 5) 热处理数据库和专家系统 ; ( 6 ) 智能热处理技术与计算机智能化 仪表 。 关键词 :计算机技术 ; 热处理 ; 应用 ; 发展 中图分类号 :0242 　　 文献标识码 :A 　　 文章编号 :025426051( 2000) 1020026204

Appl ication and Development of Computer Technology on Heat Treatment Industrial Fields in China
YAN Cheng2pei

(Beijing Research Institute of Mechanical and Electrical Technology ,Beijing 100083 ,China)

　　 我国计算机和微电子技术在热处理领域的应用起步于

80 年代初 。80 年代初期和中期 ,先后有机械部第三设计研究

院研制了井式渗碳炉微机控制系统 , 上海交通大学研究和开 发出微机可控渗碳工艺和设备系统 , 西安理工大学研制开发 出重载齿轮深层渗碳计算机模拟控制技术与设备 , 北京机电 研究所和北京工业大学分别研究开发出热处理数据库技术 , 北京机电所研制推出了 J ST 型微机控制淬火介质冷速测定 仪等成果问世并应用于工业生产实践 [ 1 ] 。由于微型计算机和 微电子技术的迅猛发展和价格的降低 , 计算机和微电子技术 的应用日益普及 。人们认识到 ,计算机与微电子技术对热处 理技术进步的重要意义在于它是开发知识和利用知识的强有 力工具 。计算机与微电子技术的应用已创造出许多高度知识 密集型的热处理新技术和新方法 , 使热处理技术不断发生质 的飞跃 。 近 20 年来 ,计算机和微电子技术在热处理工业领域的应 用不断深入和扩展 ,主要涉及以下 6 个方面 。

测和严格定量控制的方向飞跃 。从我国历届计算机应用学术 会议和学术年会及金属热处理学术刊物介绍的热处理计算机 模拟技术 ( HTCS) 研究开发成果和应用可以看出 ,HTCS 技术始 终是热处理计算机和微电子技术应用的主流 ,成果累累 ,应用 面广 ,其发展势头至今依然强劲不衰 。

2　 CAD 技术

1　 计算机模拟技术

基于偏微分方程数值解 ,计算传热学 、 相变动力学定量计 算温度2相变2应力三者之间的耦合 、 其流动力学计算软件 、 热 处理数据库等一系列基础工作的进展 ,热处理计算机模拟在近 20 年间迅速发展 。从加热过程 、 淬火冷却 、 感应加热及高能密 度热处理等计算机模拟的成果可以看出 ,它具有高效 、 、 逼真 全 面地反映热处理过程中各种变化规律的优点 。与实验测试技 术相辅相成 ,计算机模拟可以极大地扩展实测数据所提供的信 息 ,构成功能强大的 “实验室” “生产试验基地[ 2 ,3 ] ” 和 。随着计 算机模拟技术的进一步发展和推广应用 ,热处理技术终将摆脱 凭经验和粗略的定性估算进行生产的落后状态 ,而向着精确预

计算机数值模拟 ( 数学模型 ) 技术使计算机成为功能强 大 ,效率极高的 “实验室”输入必要的实测数据 ( 导热系数 、 , 换 热系数 、 比热 、 比容 、 相变动力学特征数据 、 相变潜热 、 弹性模 量、 屈服强度 、 导磁率 、 电阻率 、 扩散系数 、 传递系数等) 就能模 拟各种热处理过程中工件内部的瞬态温度场 ,组织变化 、 内应 力或渗层浓度变化等复杂现象 , 成为最佳热处理工艺计算机 辅助设计 ( CAPP) 的基础 。同时 ,依据生产工件的特殊要求和 数据等设计功能软件 ,和上述 CAPP 基础软件结合 ,形成热处 理工艺 CAPP 技术 。 应用计算传热学数值模拟技术和热处理设备主要参数计 算的数学模型以及元器件 、 材料等的选择系统软件等 ,就构成 了热处理设备 CAD 技术 。可以求出热处理设备主要技术参 数如几何尺寸 、 电炉丝设计及型号选择等 ,配合计算机绘图仪 便可输出设备图纸资料等 。 伴随着计算机模拟技术 、 数据库和专家系统 、 计算传热学 图形技术的发展 , 热处理工艺 CAD 技术和热处理设备 CAD 技术迅速发展 , 几乎伸向热处理技术的所有领域 [ 4 ,5 ] 。如数 据 CAD 处理技术 ,三维温度场模拟优化加热 CAD 技术 ,淬透 性模拟技术和 CAD 系统开发 ,工件淬火冷却过程 CAD 设计 , 热处理生产在线控制与质量管理的 CAD 技术 , 热处理电炉 CAD 技术 ,真空热处理炉的 CAD 技术 ,推杆式连续气体渗碳 自动线渗碳工艺 CAD 设计及控制系统 ,箱式电炉电热元件的 CAD 设计 ,笼框式电热辐射管 CAD 设计 ,厚钢件退火的 CAD 技术 ,感应加热设备 CAD 技术 ,以及金相图像分析评定 CAD 技术等等 。可以认为 ,计算机模拟技术和 CAD 技术是计算机 应用技术的核心和主导技术 , 许多新技术是上述技术的延伸

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和扩展 ,计算机和微电子技术在热处理技术中的应用和融合 。 迄今为止 ,热处理计算机模拟技术和热处理 CAD 技术仍然是 最有活力 、 应用最广 、 数量众多 、 技术经济效益巨大的两大支 柱。

效层深是另一个主要控制参量 。在一定 Cp 下 ( 即表面含碳 量下) 求出渗碳层深的统计分布 ( 正态分布 ) 并应用统计理论 确定控制范围 ,利用高精度和性能良好的传感器以及微机实 现对主要控制参量的监测和控制 , 从而对渗碳工艺过程进行 控制 ,这就是统计过程控制技术的方法 。 我国北京吉普汽车有限公司 ( 中美合资) 在热处理工业生 产中应用了统计过程控制技术 。

3　 过程控制技术和网络系统
在建立了数学模型对热处理工艺过程进行数值模拟的基 础上 ,辅以热处理生产中各种物理量参数 ( 亦有少量化学参量 转换为电参数) 的传感器检测装置以及热处理生产工序运动 的程序控制软件 ,就组成了热处理工艺过程控制系统 ( 控制软 件和设备 、 传感器 ,仪表的结合体 ) 。计算机技术的发展要求 将单独控制或管理的单元用计算机通讯系统联成网络 , 并由 一台中央计算机负责管理和控制 , 各独立单元除了可完成各 自的控制和管理功能外 , 还可和主计算机交换信息和完成中 央计算机分配的工作 ,这就构成了计算机网络 ,热处理计算机 网络系统是近 20 年计算机技术发展的热点 ,当前的热处理计 算机网络除包括中央计算机和各单元外 , 一般还包括功能强 大的数据库和专家系统 , 可以为网络的各个工作点 ( 终端 ) 提 供更多的服务 ,具有更多的功能 ,其作用已远远超出了最初的 控制和管理功能 ,而且其发展日新月异 ,丰富多彩 [ 6～9 ] 。 热处理过程控制是热处理工业生产控制的总成 , 由于热 处理工业生产技术要求的多样化和生产管理的需求 , 热处理 过程控制出现几种不同形式 ,主要有以下几种 。 如井式渗碳炉分布式计算机控制系统 ,气体渗碳过程控 制系统 ,微型计算机氮势动态控制 ,微机控制调质热处理生产 线 ,锚环热处理计算机模拟与过程控制自动生产线等 。 适时热处理控制系统是一种优化的热处理控制管理系 统 ,其特点是将热处理中和热处理与其它工序间的生产控制 连接起来 ,使生产中的间歇时间趋向于零 。我国洛阳矿山机 器厂大型工件热处理生产控制与管理系统是适时热处理控制 技术的代表 。

柔性热处理技术是适应热处理生产中多品种 、 高质量 、 小 批量生产和管理需求而出现的一种柔性加工热处理过程控制 系统 。 柔性热处理过程控制的主要特点是能源控制多功能化 ;

传感系统多样化 ,以适应工艺优化和复合化 ; 控制系统柔性化 和相互协调 ; 生产技术管理集成化 。上述特点综合构成了柔

性热处理过程控制系统对产品和工艺控制的多功能化 , 技术 与生产的高度集成 ,工艺技术的优化和柔性化以及整个生产 系统的高度自动化 [ 12 ] 。 四川齿轮厂气体渗碳采用 Furnace Minder TM 监控系

统 ,是一个初级柔性热处理控制生产线系统 ,该系统可对热处

理过程的状态和各种变形进行控制 , 并可储存和处理过程信 息和数据进行统计分析及打印报告 。可用于连续作业或周期 式生产 ,无论是可控气氛炉 、 真空热处理炉还是感应加热热处 理设备均可适用 ,并可方便地和中央计算机联网 ,成为工厂自 动化 ( 网络) 的重要部分 。该系统的唯一不足是工件的进出料 尚需人工操作 。

首先建立含各参数定量关系的过程数学模型 , 然后根据统计 分析方法决定各参数的控制范围 , 并利用传感器和微机对各 参数进行精确监控 ,从而对工艺过程进行控制
[ 11 ]

渗碳统计过程控制 ,在深入了解渗碳过程物理本质的基 础上 ,把渗碳过程各影响因素综合在一个能正确反映该过程 物理本质定量关系的数学模型 。我们知道 ,最终表面碳浓度 梯度 ,是由气相反应与扩散 、 表面对碳的吸附和传输以及碳在 固相中扩散决定的 。以密封箱式炉为例 ,在一个微机系统的 控制程序中应包含的因素有 : 炉子功率 、 炉温均匀性及与设定 值的偏差 、 加热温度和时间 、 装炉后温度恢复时间 、 气氛成分 、 气相反应和设定点的偏差 ,装炉后气氛恢复时间 ,炉压 、 气体 流量 、 淬火剂温度及搅拌程度 ,零件转移时间等 。 在上述控制参数研究的基础上 ,选择主要控制参量进行 精确监测和控制 ,某些参量只给出上 、 下限报警信号即可 。例 如 ,对渗碳过程而言 , 碳势 Cp 是一个主要控制参量 , 渗碳有

311 　 热处理过程控制系统

312 　 适时热处理控制系统( just in time) [ 10] 313 　 统计过程控制( SPC) 技术

统计过程控制技术 ,不是依据过程的质量结果进行 ,而是

。

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国内柔性热处理过程控制系统已有若干生产线投入生产 运行 ,如上海交通大学研制开发的 SJ TU2560 工业控制微机 热处理过程控制系统 ,感应加热柔性热处理系统 ,郑州齿轮厂
UN IT 气体渗碳柔性控制系统等 。

热处理生产计算机管理系统是热处理工业生产技术进步 的必然产物 ,通常热处理生产计算机管理系统和热处理过程 控制系统相辅相成 ,有些项目将二者相结合形成热处理生产 综合控制系统 [ 13～16 ] 。

术进步 ,已经形成热处理过程控制技术的一个分支 。如 : 微机 辅助热处理生产统计 、 成本计算管理子系统 ; 洛阳矿山机器厂

热处理分厂计算机生产管理系统 ; 中外热处理标准检索与管

理系统等 。 目前我国热处理工业生产的计算机网络系统尚未形成 。 某些单位研制开发的热处理生产网络系统尚处于初级阶段 , 多数是热处理生产与管理相结合的网络系统 , 主要用于生产 控制 、 管理信息的传输和交流 。如洛阳矿山机器厂热处理分 厂计算机网络管理系统等 。

4　 热处理计算机预测技术

析工作中 ,通过数学模型和数值模拟技术及相关技术 ,完成对 热处理工艺和性能参数的预测工作 ; 应用体视学 ,完成定量金

314 　 柔性热处理技术( FHT ——Flexible Heat Treat2 — ment Technology) 315 　 热处理生产计算机管理系统
我国热处理生产的计算机管理系统随着生产的发展和技 计算机和微电子技术在热处理实验 、 测试和数值计算分

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相的研究 ; 在相变研究中 ,通过研究加热和冷却过程中组织结 构及性能 ( 包括淬透性 ) 之间的关系 , 通过数学模型预测材料 性能 ; 应用数值传热学的计算机分析 、 运算及解题方法 , 得到 冷却性能的重要参数 ; 根据化学分析值测量钢的端淬曲线及 热处理瞬时热应力的计算等 [ 17 ,18 ] 。 热处理计算机预测技术应用广泛 。如 , TAS 图像分析 仪 ,就是应用体视学原理在微电子技术的支持下完成了计算 机定量系统工作 ,建立了组织和性能的定量关系 。郑州机械 研究所提出了微机硬度法测量表面强化层深度计算机软件 , 在确定表面强化层深度的同时 ,还能给出硬度曲线 。大连理 工大学完成了用计算机预测钢的淬透性的研究 , 提供了预测 不同钢材淬透性能的计算机应用程序 。此外 ,长沙高等工业 专科学校等单位给出了 “结构钢淬透性的微机算法”估算钢 、 轴热处理后强度水平的程序 、 大件热处理温度场显微组织及 性能预测技术 。上海交通大学研制的 “界面条件剧变的淬火 冷却过程模拟计算与淬火工艺 CAD” 技术及应用等都是热处 理性能 、 组织结构和计算数值 ( 方法) 计算机预测技术的范例 。

我国热处理计算机专家系统自 80 年代开始起步 ,已经引 起人们的关注并取得了长足进步 ,如前所述 ,北京机电研究所 研制的热处理数据库与辅助决策系统 , 就包含了热处理专家 系统 。近年推出的成果和应用有 : 吉林工学院 、 吉林工业大学 研制的合金渗碳钢件锻造余热等温正火工艺计算机专家系 统 ; 热挤压模具材料的优化专家系统等 [ 21 ,22 ] 。

6　 智能热处理技术与计算机智能化仪

表
电子计算机对热处理技术进步的影响远不止于实现自动 化 。计算机技术将使热处理凭经验进行生产的落后状态向着 正确预测工艺结果的基础上实施精确控制的方向飞跃 。热处 理智能化将成为信息时代热处理技术发展的重要方向 。热处 理数学模型和计算机模拟技术是开发高度知识密集型热处理 智能技术的关键 。实现热处理智能化有赖于深入掌握与热处 理有关的各种复杂现象的规律 ,并使之转化为生产技术 。展 望未来 ,开发以数学模型为知识表达方式 ,以计算机模拟为决 策依据的智能技术不失为实现热处理智能化的合理途径 , 其 影响所及不止于热处理行业 。若在机械设计中引入热处理计 算机模拟 ,将机械结构设计 、 传动设计 、 零件应力分析 、 零件选 材、 组织与性能设计 、 热处理工艺设计等环节进行并行处理 , 经过叠加优化制定出工件热处理后内部性能分布与其使用状 况匹配的设计方案 ,保证机械产品的可靠性 ,最大限度降低成 本 。可以说 ,热处理智能化是机械制造业实现智能化的重要 环节 [ 23 ] 。 热处理计算机模拟和智能化技术的发展前景诱人 , 潜力 巨大 ,但还应该指出 ,它还是一种很不成熟甚至可能存在误区 的技术 。许多关键技术尚待经过长期的艰苦努力才可望解 决 。非线性问题的算法 ( 尤其是多种非线性因素的交互作 用) ,相变计算的精确性 、 流场动力学与界面换热不均匀性模 拟、 对流 — 辐射 — 导热的耦合 、 形状复杂的多物体间的辐射等 方面都还有许多难度很大的课题有待人们深入研究 。 北京航空航天大学对我国热处理工艺智能控制技术进行 了研究和技术开发工作 , 并且取得了材料热处理计算机辅助 决策系统 ,渗碳微机控制系统 ,污水治理微机测控技术 , 航空 热处理 CAPP 技术等成果并应用于航空热处理工业生产 [ 24 ] 。 目前的观点是 ,智能控制系统是一种在各种复杂的不确 定性环境中以最低限度的人工干预高度自主地实现追求目标 功能的控制系统 。 智能控制系统的主要性能是高性能 、 鲁棒性 、 适应性 、 容 错性 、 学习能力 、 实时性和人机协作功能 。 智能控制系统主要有 5 种主要类型 : 分级递增智能控制 系统 、 专家控制系统 、 学习控制系统 ,神经网络自适应控制系 统和其它智能控制系统 ( 如组合智能控制系统 ,集成智能控制 系统 ,多色智能控制系统等) 。 考察现代工业的发展趋势和智能控制系统的特征 , 并结 合热处理行业特点不难得出以下 3 点结论 : (1) 今后制造业的发展特点是硬件成本下降 ,而软件价 值上升的趋势 ,智能控制的特点决定了发展热处理工艺智能 控制不仅需要设备满足控制要求 , 更应重视相关软件的生产

5　 热处理数据库和专家系统
热处理领域需要解决大量数据和信息处理技术 , 热处理 技术的信息与管理需在操作系统的支持下 , 通过应用软件建 立数据库来完成 。数据库系统正是数据处理的核心机构 , 成 为现代计算机十分重要的应用领域 。 热处理数据库依工作领域大体可分为金属材料数据库 、 热处理原理数据库 、 热处理工艺数据库 、 典型零件热处理数据 库、 热处理设备数据库等 。热处理数据也是一项基础科研技 术 ,诸如热处理计算机模拟技术 , 热处理 CAD 技术和 CAPP 技术 ,人工智能热处理技术的开发应用以及热处理集成制造 系统 ( CIMS) 的发展都需要有强大的热处理数据的支持 。 我国十分重视热处理数据库的建立和开发应用工作 , 许 多单位作出了积极的努力并取得进展 。北京机电研究所建立 了热处理数据库与辅助决策系统 ,并于 1990 年推出了 《热处 理数据库管理系统 Ⅲ ,包括热处理基础数据库 、 》 硬度选择与 硬度转换系统 、 中外热处理标准检索系统 、 淬火 、 退火与正火 工艺数据库 、 热处理设备与选型系统等 。该系统随后研制开 发 《淬透性预报系统软件》 并已投放市场 。与此同时 ,国内陆 续研制成功各类热处理数据库并且在热处理技术和生产中得 到应用 。主要有 : 清华大学研制的典型零件 ( 轴类 ) 热处理数 据库 ; 北京工业大学和北京机电研究所研制的汽车零件热处 理工艺数据库 ; 上海交通大学 、 大连理工大学研制的材料淬透 性数据库和北京工业大学与北京吉普汽车有限公司联合研制 的 BJ C 热处理信息系统等 [ 5 ,19 ,20 ] 。 热处理专家系统是热处理数据库技术的发展 。简言之 , 在热处理数据库的基础上 , 附加上对热处理性能或决策要求 的数学计算和分析 ,逻辑推理和判别 ,综合比较和选择等功能 就构成了热处理专家系统 。就热处理计算机应用技术的角度 而言 ,热处理专家系统是一种智能化的计算机应用技术 ,它在 热处理科学研究 ,实验测试与分析和工业应用中具有和应用 客体间 (object ) 更直接 、 更精确 、 更实用的功能 。因而必将在 今后热处理计算机技术的应用中 ,发展趋势强劲 ,前景广阔 。

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和积累 ; (2) 及时吸收智能控制有价值的思想方法 ,综合热处理 工艺智能控制的具体情况 ,设计控制模型进行研究 ,不失为发 展热处理工艺智能控制的一条有效途径 ; (3) 智能控制不仅要与传统热处理工艺相结合 , 更有必 要在一些热处理新技术 ,例如精密热处理 、 真空热处理以及高 能束热处理等方面发挥作用 。 发展热处理工艺智能控制将给热处理工业注入新鲜血 液 ,使其紧跟社会信息化的时代潮流 ,并符合先进制造技术的 发展趋势 。 我国在热处理工艺智能控制及相关技术领域已取得不少 研究成果并应用于热处理工业实践 。例如 ,热加工柔性制造 系统 ( EMS) ,热处理微机动态控制技术 ,材料智能热处理 ( In2 telligent process of materials2heat treatment) 以及双级控制结构 智能渗碳控制技术等 。 将计算机和微电子技术与传感器 、 测试仪表技术相结合 构成智能化仪表 ,这是传感器和测试仪表技术发展的必然趋 势 。我国自 80 年代在这一领域开始起步 ,已经研制和开发出 许多热处理智能化仪表 。如 TAS 图像分析仪 ,J ST2900 型淬 火介质冷速测定仪 ,个人仪器冷却介质测试仪 ,微机控制真空 仪 ,便携式微机硬度计 ,微机控制氧探头碳控系统 ,智能化温 控仪 ,微机控制气氛控制器 ,便携式智能化测振仪 、 涂层测厚 仪 ,粗糙度仪和便携式微机打字机 ,渗氮工艺控制仪和气体渗 碳/ 碳氮共渗微机控制仪等等 [ 25 ] 。可以不夸张地说 ,在今天 , 测试仪表和传感器智能化已经成为 90 年代技术水平的标志 。 参考文献 :
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