热处理信息化与制造业跨越式发展

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热处理信息化与制造业跨越式发展

  产品轻量化、性能优异、经久耐用和高度可靠是现代制造业不断追求的目标和市场竞争的焦点。热处理在其中起着决定性的作用，历来为世界著名的制造厂商所高度重视，通过深入的研究和长期积累形成热处理技术上的优势，视之为企业核心竞争力而严加保密。人们可以仿制出外观、尺寸精度乃至材料化学成分一模一样的产品，但因未能掌握其热处理技术关键而难以在使用寿命和可靠性上与之媲美。热处理的产值仅占制造业总产值中很小份额(约1%数量级)，却有可能收“搞好热处理零件一顶几”之效，从而成倍甚至十几倍地提升整机的附加值。其作用真可谓四两拨千斤！我国热处理水平与世界先进水平存在阶段性差距。主要表现于：产品可靠性差、使用寿命低、或者体积自重明显偏大；热处理能耗大、劳动生产率低；高端热处理设备仍然依赖进口，陷入引进—落后—再引进—再落后的局面。我国热处理的落后已成为我国从制造业大国走向制造业强国的障碍。
  提高我国热处理技术水平是一项迫切而又艰巨的任务。热处理的作用在于控制材料的性能，而材料的不同性能常常此消彼长(例如强度或耐磨性的提高往往伴随韧性降低等等)，不同工件的使用状况和失效方式又千差万别，唯有使材料的各项指标合理配合，才能充分挖掘材料潜力。另一方面，热处理是一种十分复杂的过程，涉及传热、传质、相变、应力应变、流场或电磁场等相互耦合，以致正确预测工艺参数对性能影响的难度很大。为了搞好热处理不仅需要严密、系统的工艺试验和实验室条件下的组织性能测试，还必须经过零部件的台架试验、装机考核、破坏性能试验和寿命试验、以及失效分析和用户使用情况反馈等一系列的深入研究，才能摸索到针对具体产品的高水平热处理工艺。否则，热处理技术指标和生产工艺就难免存在盲目性。缺乏系统的深入研究和长期积累正是造成我国热处理水平落后的主因之一。如果采用传统的技术路线和“试错式”研究方法很难缩短与世界先进水平的差距。只有用信息技术带动热处理的技术进步才可望实现跨越式发展。正如文献所言：热处理信息化是加速发展我国热处理行业的必由之路。
  建立反映热处理过程中各种现象变化规律及其相互影响的数学模型，藉助计算机用数值法进行求解，采用数字化的后处理软件能以多种方式演示计算结果，从而实现了热处理过程的计算机模拟。除了理论研究、实验研究之外，计算机模拟已成为当今第三种科学研究方法，它和前二者相互结合使人们认识客观规律的能力产生质的飞跃：
  1）将理论知识直接应用于工艺过程的定量计算；
  2）实现材料学、传热学、固体力学、流体力学、物理学、化学等多学科知识的集成，更好地描述实际生产过程的复杂现象；
  3）用多场耦合的方法反映不同因素的影响及其相互作用；
  4）直观、逼真、有助于人们从不同的角度发掘有用的信息；
  5）高效、便捷、能在很短的时间内完成各种方案和工艺参数的比较和优化，从而以过去无法想象的效率推动热处理工艺的创新。
  另一方面整个模拟计算过程及计算结果的存贮、调用、演示和传递都在数字化环境下实现，便于和其他数字化单元连接和集成，有利于企业不同部门和生产环节的工作人员共享模拟计算的结果，也使远程交流和异地异构的合作研究成为可能。
  基于上述特点，热处理计算机模拟在优化热处理工艺，正确控制热处理生产过程和正确预测工件热处理后组织与性能等方面具有突出的优越性，受到国际热处理界的高度重视，国内清华大学等单位也开展了研究并取得有价值的成果，上海交通大学的“热处理数学模型与计算机模拟的研究与应用”成果获2000年国家科技二等奖，在初步的生产应用中收到了传统的研发模式所不能达到的效果。

  热处理的计算机模拟是一项潜力巨大而又十分复杂的技术，虽经各国学者二十余年的探索，至今仍然远远没有达到成熟的程度，有一系列问题尚需进行持续的深入研究。例如：
  1）计算机模拟精度有待提高，这就有待于相变动力学，应力—应变与相变的相互作用，相变塑性等基础理论研究的进展和成果积累，才有可能建立更为精确和适用范围更广的数学模型；
  2）换热边界的研究有待开展(如流场与温度场的耦合模型，在沸腾介质中冷却的界面换热，高能束表面改性的能量转换等)；
  3）感应热处理中电磁场与温度场的耦合、离子化学热处理和离子表面改性的电场、磁场等离子场和温度场耦合模型也是值得关注的研究方向；
  4）建立热处理计算机模拟的基础数据库日益显得迫切；
  5）热处理智能CAE技术需要解决根据模拟结果自动进行分析比较、进而作出工艺决策的数字化方法。

  热处理计算机模拟能够揭示生产中各种现象的变化过程，成为计算机辅助工程分析(CAE)的基本工具。目前只有气体渗碳的浓度场优化控制和炉内单件加热的优化控制等决策规则和判据比较简单的热处理工艺可以根据模拟结果自动编制生产工艺。淬火工艺的优化还是只能由研究人员对模拟结果进行分析比较之后作出判断，常常还需要再重新设计模拟方案，逐步寻找优化的结果。这种依赖于人进行思维和决策状态难以满足制造业自动化的要求，提高决策自动化的水平，也是今后向热处理虚拟生产发展的必要条件。

  在长期的热处理生产实践中积累了大量的生产记录、检测记录、工艺试验数据和生产经验等都是有用的知识，开发数字化知识重用技术的目的是将这些大量的、分散的、隐性的知识进行数字化处理，以提高知识重用的效率。
  1）热处理数据库
  可喻为数字化的热处理手册，具有容量大、更新及时、检索查询方便，可供CAD、CAE、CAM等系统直接调用等优点。
  2）热处理专家系统
  除了存贮和调用数据之外，还具备为用户提供有关技术问题的自助式咨询和辅助决策的功能。
  3）人工智能技术在热处理中的应用
  热处理中有许多复杂过程，目前还不可能建立物理数学模型描述其变化规律，在这种情况下有必要用人工智能技术从大量的现有的数据和经验中挖掘信息，建立过程的知识模型，预测热处理工艺参数对性能的影响，作为制订工艺和过程控制的依据。

  人工神经网络模型是在生物神经科学的启发下发展起来的信息处理方法，模型由一系列神经元以一定的结构和权值相互连接而成，具有“自学习”的功能，它可以利用已经积累的数据，获取现有信息中隐含的知识，建立被研究对象的知识模型。人工神经网络模型在热处理中应用的研究在国内日趋活跃，例如在建立钢的回火方程，结构钢端淬曲线预测，预测大锻件调质后的性能，建立热处理工艺专家系统、热处理质量控制等方面取得良好效果。看来人工神经网络模型是一种比较容易在热处理行业中应用的人工智能方法，颇有推广价值，但是人工神经网络有其局限性，由于人工神经网络本身是一个“黑箱”，所获得的模型没有明确的物理意义，难以理解，致使模型很难维护和修改，再则在某些情况下神经网络的收敛速度不能适合应用的需要，此外神经网络的结构及参数的确定也大多依赖经验。因此有必要积极开展其他人工智能方法应用于热处理的基础研究和应用研究，例如借鉴焊接领域中粗糙集理论的研究与应用已取得成效的经验。粗糙理论更适合于涉及大量不确定因素的复杂过程的知识建模。将其移植于热处理行业，可望成为一个重要的研究方向。

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  近年来在美国、日本和欧洲各国基于知识的工程(Knowledge-Based Engineering，简称KBE)受到高度重视。KBE技术是人工智能技术与其他计算机辅助技术的有效集成，从而使计算机辅助技术充分集成了知识，充分模拟专家解决问题的思路，使复杂工程问题的求解方法更有效。已成为21世纪制造业信息化的关键技术之一。如能借鉴国内塑性成型行业应用KBE技术的成功经验，将KBE技术应用于热处理行业，无疑是一个有重要意义的课题。

  1）数字模型在线控制
  在上世纪末国内研究成功气体渗碳渗层浓度分布数学模型在线运算的动态碳势控制技术，将计算机模拟和工艺过程控制直接结合，由计算机自动进行渗碳过程的模拟，自动确定优化工艺并自动完成过程控制，实现无纸化、自动化生产、在实际运行过程中根据温度和炉气成分的实时采样值，用快速模拟的方法求出该时刻的浓度分布，并根据模拟结果不断修正气氛和温度的设定值，以补偿偏差和各种偶然因素对渗碳结果的影响，使整个渗碳过程处于事实上的最优化状态，确保渗碳的质量并尽可能缩短渗碳时间。
  
  2）数学模型离线控制
  淬火冷却、感应加热、激光加热等热处理操作，工件温度变化很快，目前计算机的运算速度远远跟不上在线模拟计算的需要。只能事前用计算机模拟的方法选择优化的热处理工艺，编制成控制程序，然后进行程序控制。

  CAD通用技术、知识重用技术科技新成果信息的获取、热处理设备的科学计算等相互结合，构成热处理设备智能CAD系统。

  1）热处理设备的知识重用技术

  存贮大量现有设备图纸、技术资料、现有设备的运行案例\用户反馈的意见以及与各种热处理设备有关的数据，可供随时调用。通过不同案例的分析和相互比较，帮助设计人员“推陈出新”，获得创新性的设计。

  2）热处理设备的科学计算

  在智能热处理CAD技术中科学计算占有重要的地位，温度场的数值模拟对于提高加热的效率\改进加热均匀性都有重大作用，流场动力学模拟用于淬火槽的设计和高压气淬设备设计为改善冷却的均匀性和淬火冷却的智能控制创造了条件。根据流场动力学模拟的结果进行特大型气体渗碳炉的炉膛结构设计收到了保证渗碳均匀性的效果，已有成功的先例。炉内构件及料盘料架等在加热和冷却过程中的应力、应变和失效的模拟有助于提高热处理设备运行的可靠性和正确的寿命预测，电磁场的模拟、等离子体模拟将为先进的感应热处理设备、离子化学热处理设备和各种离子表面改性设备的设计提供科学的依据。总之计算机模拟在热处理设备CAD技术中的应用对于热处理的跨越式发展有非常大的作用，面向热处理设备设计的虚拟现实技术也已呼之欲出。此外，数值模拟也是今后实现热处理工艺研究与设备开发并行处理的工具。

  1）数字化热处理质量管理系统

  由于影响因素众多，热处理质量常常不是某一个工艺过程参数的单一函数，例如淬火后工件的性能和畸变量、除了和淬火操作过程的加热方式、奥氏体化温度、装炉方法、奥氏体化时间、淬火方法、淬火介质的成分、温度、老化状况、搅拌条件等参数有关之外，其影响因素可以追溯到从冶炼、浇注、塑性加工、预先热处理和机械加工等整个制造过程的各个环节，其中一些因素还无法实时监测，只能获取离线抽样检测的数据。用人工统计的方法很难及时地正确地掌握热处理质量变化规律，即使是国外九十年代应用甚广的SPC技术也难以应对热处理质量管理的复杂性，应用现代信息技术，可以将各种生产记录和检测结果的所有数据输入到信息化的热处理质量管理系统中，应用人工智能的方法及时从大量数据挖掘信息，为正确的质量管理提供依据，最大限度减少热处理质量的分散度。

  2）数字化的热处理生产管理

  数字化的热处理生产管理的任务是在保证热处理生产计划满足整个企业的生产和销售的需求的同时最大限度降低热处理能耗。热处理设备的蓄热热损失在总能耗中占相当大比例，而蓄热热损失则直接和设备的利用率和生产安排有关，数字化的生产管理对热处理节能生产有重大作用。通过电子商务实现异购协作生产则是提高热处理劳动生产率的有效方式。

  热处理是制造业中决定产品内在质量、使用性能和可靠性的关键环节，然而却是制造业中信息化最落后的环节，不克服这一瓶颈就不可能通过信息集成进行产品全生命周期整体优化。缺乏数字化、智能化热处理技术，整个制造业信息化就显得不完整。这种不完整性的后果，在某种情况下可能十分突出。目前，热处理的工艺开发、热处理生产工艺的制订都和产品设计脱节。以至在产品的开发中未能最大限度利用材料和热处理技术开发的新成果，甚至未能充分发挥原有材料和原有工艺的潜力。而且零件热处理工艺的制订，甚至热处理技术指标的确定也难免存在盲目性，很难做到热处理后的组织与性能恰到好处地适应产品使用的要求，其结果或者寿命和可靠性得不到保证，或者是不必要地增大产品的体积和重量。随着热处理信息化的发展有可能克服上述弊端，笔者建议将产品的计算机辅助设计、零件选材和热处理计算机模拟以及产品可靠性评估相结合，构成产品创新设计平台。首先由CAD系统得出初始设计，接着用计算机模拟技术优化选材和热处理工艺，然后进行产品运行状况和失效过程的仿真，将零件各处所承受的应力和残余应力叠加，并和该处的强度进行比较，作出使用可靠性评估。经过反复叠代得到体积最小、重量最轻而又高度可靠性的产品设计。由此可见，用信息化带动热处理智能化，其作用远远不止于热处理行业，将热处理虚拟生产集成于产品虚拟制造中，对先进制造技术的发展有重大的作用。

  热处理信息化对于热处理的发展的重大意义是无可替代的，作为获取知识繁衍知识和利用知识的现代化工具，信息技术推动热处理摆脱经验型技术的落后状态，不断向着高度智能化的方向飞跃。计算机模拟实现理论知识和定量科学计算直接应用于热处理生产和工艺装备的设计，使热处理逐渐成为多学科交叉的科学技术。热处理虚拟生产的逐步普及，不仅将以前所未有效益和创新程度提升热处理的技术水平，而且将使整个制造业的虚拟制造趋于完整，从而大幅度提高虚拟制造的功能。将热处理工艺的优化及组织性能、残余应力的预测融入集成制造的并行工程中，才有可能构成轻量化、高可靠产品的创新设计平台，如果缺少这样的平台就不能充分发挥制造业信息化的优越性。