一、技術概述
制造全過程質量控制技術是一種既包括生產技術，又包括生產質量管理的系統工程。實現制造全過程的質量控制其內涵包括兩個方面。一是要保證優化工藝，提高產品質量，二是要保證穩定不變的工藝條件，得到分散度極小的均一產品質量。從表1中可看出機械制造過程質量控制技術所包涵的要素及其相互關系。制造全過程質量控制不僅要靠生產過程的自動化、工藝參數的在線控制、生產工藝參數對工藝效果的模擬優化來實現，而且還必須盡可能控制過程的智能化，這是當前質量控制技術發展的主要方向。
二、現狀及國內外發展趨勢
1.國內外現狀
隨著計算機技術的提高和普及，智能控制技術迅猛發展，為成形與改性生產技術的質量控制的實際應用打下了基礎。目前各工業國家都相繼建立了專門的科研機構，成立了相應的學術團體，出版了有關的刊物和專著。以熱處理生產的智能控制為例，我國上海交通大學近二十年來在熱處理計算機模擬與智能化理論和實踐方面取得了矚目成就，國家機械工業局北京機電研究所已建立的數據庫和專家決策系統以及當前開展的材料熱處理組織和性能模擬技術的研究開發亦獲得了明顯成績。1995年，國際熱處理與表面工程聯合會(IFHT)增設了熱處理智能化技術委員會，我國上海交通大學潘建生教授擔任首任主席。
熱處理工藝數據庫和專家決策系統的建立，為實現熱處理質量控制創造了條件。早在七十年代初，美國金屬學會(ASM)、英國的沃爾夫遜熱處理中心(Wolfson Heat Treatment Center)以及原南斯拉夫(現克羅地亞)都相繼建立了材料與熱處理數據庫，做到了可以根據機件熱處理后力學性能要求進行計算機輔助選材，或已知材料和熱處理工藝預見最后的組織和性能。隨后歐美、日本等先進工業國家開發出用計算機對各種熱處理工藝過程的控制技術，開展了計算機控制下的工藝參數數模控制技術研究，并在生產中獲得了應用。目前國際知名廠家的許多連續式和周期式熱處理生產線都采取了用可編程控制器(Programable Controller)或微處理機的單控或群控，使整個生產工藝過程、爐氣碳勢、氮勢以及其濃度沿深度的分布規律都能實現按預定的要求嚴格控制。我國的科研院所、大專院校、汽車行業的一些大廠在消化吸收引進技術和自行開發的基礎上已基本掌握了這些先進技術。當前，在熱處理界已開創了一個廣泛利用計算機實現質量控制的新時代。
2.發展趨勢
質量控制技術發展的前沿突出表現在以下四個方面：
(1)質量在線控制技術
熱處理質量的在線控制技術中溫度、時間和爐氣成分是最基本的控制參數。在溫度控制方面，國內外已廣泛采用可控硅控溫技術，結合PID儀表可使熱過程溫度控制在相當精確范圍。對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、微處理機等實現按工藝要求規定溫度變化規律(加熱速度、保溫臺階、保溫時間、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現時溫度的跟蹤。在爐氣控制方面，從傳感器角度在國內外都經歷了一個露點法——紅外儀——氧探頭的發展過程。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，在嚴格控制爐溫和爐氣良好筆循環的前提下可以使爐氣碳勢(鋼表面含碳量)達到±0.05～0.02%的精度。利用微處理機對溫度、爐氣碳勢、強滲與擴散時間的精確控制，現在國內外都可以實現表面碳含量、滲層深度、滲層碳濃度梯度按一定規律分布的質量的在線控制。
對于熱處理質量的在線控制技術，目前迫切需要考慮的是直生式可近期氣氛滲碳時的碳勢精確控制、甲醇—氫—丙酮(煤油)合成氣氛滲碳時的工件表面碳濃度分布的自適應控制，鍛熱淬火生產線溫度的在線控制，鍛模和沖壓模磨損量在線監測等。
(2)無損檢測與評價技術
對零件質量和內部缺陷進行100%的無損檢測是先進制造技術質量控制的發展趨向之一，電、磁、聲、光等物理學的進步給無損檢測技術以極大的推動，同時由于航空、宇航、核電等工業的高速發展，促使了無損檢測技術的飛躍。在無損探傷技術中除了常用的射線、超聲波、磁力、電磁感應(渦流)、滲透(熒光、著色)等方法外，近代不斷涌現的無損探傷技術有電子透射照相法、高能X射線法、射線層析照相法、光學全息法、超聲全息法、紅外測試法、微波測試法等。材料和零件性能的無損檢測方法中包括有剩磁法、矯頑力法、渦流法、磁噪聲法(巴克森效應法)、高次諧波法、超聲散射回波法以及聲發射法等。
國外十分注重在線無損檢測的應用，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研究所已開發出Φ2～30mm管板材渦流自動檢測系統，最高檢測速度達到4m/s，最大靈敏度30μm。該研究所還開發出旋轉式和穿過式探頭系列產品，系列化、產業化的技術已相當成熟。國內近20年來引進了包括傳統渦流檢測系統、遠場渦流、滲層渦流、多頻渦流、預多頻渦流在內的多項技術和設備儀器，不少單位也自行開發了此類技術，但成熟性不高，引進設備使用好的也不多，大多不能在生產線上正常運行。
在無損檢測的前沿課題中，生產迫切需要解決的有鐵磁性管、棒、絲狀材料多維渦流檢測方法和設備，感應加熱表面淬硬層、滲碳淬硬層深度的無損檢測方法和設備，批量生產零件熱處理后硬度的在線無損檢測方法和設備，厚壁容器焊接過程實時檢測缺陷圖像處理與顯示，大批量生產球墨兒鐵零件球比率及基體組織的在線無損檢測系統，高分辨力X射線在線無損檢測系統等。
(3)統計過程控制(SPC)技術
統計過程控制(SPC)技術是集生產技術與科學管理于一體的現代質量管理技術，在此方向屬于前沿技術的有：滲碳淬火SPC質量控制、精密成形(壓鑄、精鍛等)SPC質量控制和熱處理畸變的SPC質量控制等。
人類的生產過程對于產品質量的控制經歷了以下七個步驟：①調查了解產品最終質量情況；②分析個別明顯影響質量的因素；③靠人工調節控制這些因素的變化；④自動控制這些影響因素；⑤用統計方法獲得生產效果連續變化的規律；⑥全面調查了解影響質量的其它次要因素；⑦考慮所有因素，建立完整的理論模型用以控制整個生產過程，得到100%的優質合格產品。目前國際上不少工業先進國家的企業已開始試行第七個步驟的SPC生產，據報道SPC技術已在熱處理生產中突出地產生了效果。美國FORD公司、DONA公司、英國BLANDBURGH NENO熱處理廠都在研究SPC技術用于熱處理的質量控制。美國PENNSYLVANIA METALLURGICAL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%的工件達不到滲層下限(0.20MM)，通過統計過程分析，改進了工藝，采取了縮短共滲時間、降低爐氣碳勢、改進料筐、改善爐氣循環等措施，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的質量控制過程當前只限于第1～3步驟，個別企業實現了個別影響因素的自動控制，尚談不到SPC技術的系統研究開發和應用。
(4)精密傳感技術
在機械制造熱加工成形和改性技術中使用最普遍的是溫度傳感器，在溫度傳感器中當前最突出的是在高溫、特種氣氛、特別液體中工作的測溫元件，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、可測量爐氣微量氧和碳勢的氧化鋯氧濃差電池(氧探頭)，感知材料電磁特性微小變化，從而測出材料性能(硬度、強度、組織缺陷)變化的電磁感應器和顯視儀表。還有發射超高頻聲波、具有高靈敏接收背散射聲波能力的探頭，感知淬火介質冷卻烈度、氣液流量、壓強、校正施壓等精密傳感元件。
國際上90年代以硅為基材，采用微機械加工技術制造的各種傳感器發展最快，應用微處理器技術的光學和固態傳感器也已被廣泛應用，傳感器和執行器一體化是今后的重點發展方向，尺寸更微型化、價格更便宜和性能更可靠是傳感器發展的主要趨勢。
80年代以來，我國的敏感元器件及傳感器的開發和生產已形成產業，1990年的產值已達7.7億元，高溫熱電偶、氧探頭、熱敏、光敏、氣敏、濕敏、氣壓元件等國內都已掌握制造，有產品供應。但這些國產傳感器的靈敏度一般比較低，尤其是可靠性差，使用壽命低，某些傳感器規格不全，不能滿足生產需要，和先進工業國家比較尚有10～20年的差距。
三、“十五”目標及主要研究內容
1.目標
(1)以優質、高效、節能、無污染、高可靠性為出發點，掌握成形與改性加工的在線質量控制技術；在批量生產條件下盡可能推廣使用各種在線質量控制技術；在汽車、拖拉機、工程機械、緊固件、量刃具等行業初步實現成形與改性加工的在線質量控制生產。
(2)圍繞宇航、航空、核電等重大產品研制與生產的需要，掌握高精度、高靈敏度、快速反應的缺陷和質量的無損檢測方法，開發成功鐵磁材料在線渦流檢測系統并用于鋼絲、管棒材的連續檢測；掌握熱處理淬硬層深度和硬度的在線無損檢測系統。
(3)在完善生產管理、充分各累質量管理數據的基礎上，掌握統計過程質量控制(SPC)技術，并首先在汽車、拖拉機、標準件等有批量生產的行業推廣應用。
(4)以成形與改性質量控制技術應用的傳感器的質量、品種、可靠性和使用壽命為出發點，研究開發出真空和還原性氣體介質中耐用的高溫熱電偶和熱電偶保護材料、1100℃以上高溫測量用的輻射高溫計熱敏、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、淬火介質冷卻能力測定的高性能探頭、熱處理裂紋在線監控的電磁渦流傳感器等。
2.主要研究內容
(1)鍛熱淬火生產線溫度的在線智能控制技術。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、少氧化的感應加熱方法，通過對感應電源功率和加熱時間的智能控制，使工件鍛造加熱溫度和鍛后淬火溫度嚴格保持在規定范圍內。
(2)鍛壓模具和沖壓模具磨損量的在線檢測技術。研究采用光學多向投影技術在線測量鍛壓模具和沖壓模具的磨損具，達到及時報警、提醒操作者更換新模具，以保證鍛件和沖壓件的質量和尺寸精度。
(3)直生式氣氛滲碳的碳勢在線精確控制技術。在煤油加空氣滴注式滲碳基礎上，研究開發出一套可精確控制爐內氣氛的系統，實現在多用爐中的爐氣碳勢在線監控。
(4)在合成氣氛中滲碳時的滲層和滲層碳濃度分布在自適應控制技術。研究利用計算機在線控制強滲期和擴散期的碳勢，自動施行強滲到擴散的轉換，自動控制表面至含碳量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%，實現所謂的碳濃度分布輪廓三點控制。
(5)鐵磁性管、棒、絲型材料和零部件缺陷快速檢測方法及設備。可對我縫鋼管、焊管、細棒、彈簧絲等鐵磁性管、棒、絲型材和零部件缺陷進行快速準確檢測，檢測速度0.5～4m/s，旋轉探頭轉速3000～6000rpm，檢測深度≥30μm，檢測精度為最小缺陷深度30μm，檢測頻率在1kHz～3MHz范圍內可調。可檢測Φ5～25mm管棒絲材。
(6)鋼件熱處理后的硬度在線無損檢測方法和設備。開發對常用碳鋼(如45鋼)和合金鋼(如40Cr鋼)零件可準確測定硬度的無損檢測方法，研制相應的儀器和記錄分選機構，用于柴油機連桿、軸承套圈、滾柱等零件的在線連續檢測。
(7)表面淬硬層深度無損檢測方法及設備。通過對超聲背散身材技術的研究，研制移動式可無損測定軋輥及軸類件熱處理淬硬層的裝置，適用于批量生產100%的快速檢測，淬硬層測定范圍2～20mm，測量時間≤2s，測量精度±0.2mm。
(8)智能型高分辯率在線自動無損檢測系統。研制開發智能型高分辯率X射線在線自動檢測系統，用以連續檢測國產壓力容器焊縫。包括研制高分辯率實時圖像采信系統，設計和完成預處理及特征提取光學系統，研究常見缺陷特征，設計學習矩陣和聯想存貯器，對關鍵零件進行智能檢測并評價缺陷影響。主要技術參數：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%；工作節拍2min/件。
(9)激光表面合金化時表面裂紋的在線檢測方法和儀器。研究開發靈敏可靠的表面裂紋檢測方法和儀器設備，實現激光表面合金化的在線質量監控過程。
(10)國家重點工程和重大裝備發展所需的檢測設備的開發研制。包括高速路軌探傷車、核電站反應堆壓力容器在役自動超聲檢測系統、核電站蒸發器管道在役渦流自動檢測系統、厚壁容器焊接過程實時檢測缺陷圖像處理與顯示系統、地中心孔電站轉子相控陣超聲檢測斷面顯示技術和設備。
(11)統計過程控制(SPC)技術。重點包括滲碳淬火SPC質量控制技術、熱處理變形SPC質量控制技術、精密成形SPC質量控制技術。依據數據庫按照質量要求優選出各種工藝因素和生產條件并采用計算機模擬和控制，實現在線的SPC控制。
(12)精密傳感技術。研究開發的主要內容包括：提高氧探頭測量精度和延長使用壽命；真空、高碳勢氣氛中高溫檢測溫度傳感器；超高頻高靈敏度超志波探頭；滲氮時的氮勢傳感器；淬火介質冷卻烈度適時檢測傳感器；提高氧探頭對碳黑的抵抗能力和在760℃以下工作的可能性。
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