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第一章 绪论1.1计算机在材料科学中的发展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。9第二章 计算机在材料科学中的运用2.1 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”和“生产试验基地23”。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。2.2 CAD 技术计算机数值模拟(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。2.3 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) 。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69。第三章 计算机应用环境分析3.1 计算应用的环境3.1.1 热处理过程控制系统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。3.1.2 适时热处理控制系统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。103.1.3 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。3.1.4 柔性热处理技术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。3.1.5 热处理生产计算机管理系统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。我国热处理生产的计算机管理系统随着生产的发展和技术进步,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。第四章 计算机在材料科学中的发展41 热处理计算机预测技术计算机和微电子技术在热处理实验、测试和数值计算分析工作中,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。4.2 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。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。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。4.3 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。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1 阎承沛. 微型计算机在热处理领域的应用J.金属热处理,1985 , (10) .2 潘健生,等.计算机模拟技术在热处理中的应用C.第六届全国热处理大会论文集,北京:兵器工业出版社,1995 :15219.3 潘健生,等.淬火过程计算机模拟研究的若干进展.金属热处理,1998, (12) :30232.4 潘健生,等.热处理电炉计算机辅助设计C.第六届全国热处理大会论文集,北京:兵器工业出版社,1995 :3582363.5 荀毓闽,等.中外热处理用标准检索与管理系统C.第六届全国热处理大会论文集,北京:兵器工业出版社,1995:3762381.6 王文成,等.基于神经网络的气体渗碳碳势测定J.金属热处理,1998 , (1):11213.7 Nakonieczny A ,et al.气体渗氮的计算机控制一种可行的替代渗碳方法J .金属热处理,1998,(3):44249.8 赵海鸥,等.第二届国际淬火和变形控制会议论文综述J.金属热处理,1997,(12) :30234.9 胡明娟,等.电子计算机在我国热处理中的应用J.金属热处理,1996 , (1):21222.10 刘迨.我国热处理的现状与未来J.金属热处理,1996 ,(1):8.11 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