制造全过程质量控制技术

制造全过程质量控制技术

一、技术概述

制造全过程质量控制技术是一种既包括生产技术，又包括生产质量管理的系统工程。实现制造全过程的质量控制其内涵包括两个方面。一是要保证优化工艺，提高产品质量，二是要保证稳定不变的工艺条件，得到分散度极小的均一产品质量。制造全过程质量控制不仅要靠生产过程的自动化、工艺参数的在线控制、生产工艺参数对工艺效果的模拟优化来实现，而且还必须尽可能控制过程的智能化，这是当前质量控制技术发展的主要方向。

二、现状及国内外发展趋势

1.国内外现状

随着计算机技术的提高和普及，智能控制技术迅猛发展，为成形与改善生产技术的质量控制的实际应用打下了基础。目前各工业国家都相继建立了专门的科研机构，成立了相应的学术团体，出版了有关的刊物和专著。以热处理生产的智能控制为例，我国上海交通大学近二十年来在热处理计算机模拟与智能化理论和实践方面取得了瞩目成就，国家机械工业局北京机电研究所已建立的数据库和专家决策系统以及当前开展的材料热处理组织和性能模拟技术的研究开发亦获得了明显成绩。1995年，国际热处理与表面工程联合会（IFHT）增设了热处理智能化技术委员会，我国上海交通大学潘建生教授担任首任主席。

热处理工艺数据库和专家决策系统的建立，为实现热处理质量控制创造了条件。早在七十年代初，美国金属学会（ASM）、英国的沃尔夫逊热处理中心（Wolfson Heat Treatment Center）以及原南斯拉夫（现克罗地亚）都相继建立了材料与热处理数据库，做到了可以根据机件热处理后力学性能要求进行计算机辅助选材，或已知材料和热处理工艺预见最后的组织和性能。随后欧美、日本等先进工业国家开发出用计算机对各种热处理工艺过程的控制技术，开展了计算机控制下的工艺参数数模控制技术研究，并在生产中获得了应用。目前国际知名厂家的许多连续式和周期式热处理生产线都采取了用可编程控制器（Programable Controller）或微处理机的单控或群控，使整个生产工艺过程、炉气碳势、氮势以及其浓度沿深度的分布规律都能实现按预定的要求严格控制。我国的科研院所、大专院校、汽车行业的一些大厂在消化吸收引进技术和自行开发的基础上已基本掌握了这些先进技术。当前，在热处理界已开创了一个广泛利用计算机实现质量控制的新时代。

2.发展趋势

质量控制技术发展的前沿突出表现在以下四个方面：

（1）质量在线控制技术

热处理质量的在线控制技术中温度、时间和炉气成分是最基本的控制参数。在温度控制方面，国内外已广泛采用可控硅控温技术，结合PID仪表可使热过程温度控制在相当精确范围。对于大型零件和大装炉量的热处理和锻造加热过程，在整炉工件的真空加热中目前已采用专用仪表、可编程控制器、微处理机等实现按工艺要求规定温度变化规律（加热速度、保温台阶、保温时间、随炉冷速、气冷冷速等）施行加热和冷却，并可在工艺过程的自始至终实现时温度的跟踪。在炉气控制方面，从传感器角度在国内外都经历了一个露点法——红外仪——氧探头的发展过程。目前在吸热式气氛、氮基合成气氛和滴注式气氛中渗碳，利用氧探头作传感器，在严格控制炉温和炉气良好笔循环的前提下可以使炉气碳势（钢表面含碳量）达到±0.05～0.02%的精度。利用微处理机对温度、炉气碳势、强渗与扩散时间的精确控制，现在国内外都可以实现表面碳含量、渗层深度、渗层碳浓度梯度按一定规律分布的质量的在线控制。

对于热处理质量的在线控制技术，目前迫切需要考虑的是直生式可近期气氛渗碳时的碳势精确控制、

甲醇—氢—丙酮（煤油）合成气氛渗碳时的工件表面碳浓度分布的自适应控制，锻热淬火生产线温度的在线控制，锻模和冲压模磨损量在线监测等。

（2）无损检测与评价技术

对零件质量和内部缺陷进行100%的无损检测是先进制造技术质量控制的发展趋向之一，电、磁、声、光等物理学的进步给无损检测技术以极大的推动，同时由于航空、宇航、核电等工业的高速发展，促使了无损检测技术的飞跃。在无损探伤技术中除了常用的射线、超声波、磁力、电磁感应（涡流）、渗透（荧光、着色）等方法外，近代不断涌现的无损探伤技术有电子透射照相法、高能X射线法、射线层析照相法、光学全息法、超声全息法、红外测试法、微波测试法等。材料和零件性能的无损检测方法中包括有剩磁法、矫顽力法、涡流法、磁噪声法（巴克森效应法）、高次谐波法、超声散射回波法以及声发射法等。

国外十分注重在线无损检测的应用，以检查管材、型材表面和表面层下缺陷的涡流探伤法为例，德国FORSTER研究所已开发出Φ2～30mm管板材涡流自动检测系统，最高检测速度达到4m/s，最大灵敏度30μm。该研究所还开发出旋转式和穿过式探头系列产品，系列化、产业化的技术已相当成熟。国内近20年来引进了包括传统涡流检测系统、远场涡流、渗层涡流、多频涡流、预多频涡流在内的多项技术和设备仪器，不少单位也自行开发了此类技术，但成熟性不高，引进设备使用好的也不多，大多不能在生产线上正常运行。

在无损检测的前沿课题中，生产迫切需要解决的有铁磁性管、棒、丝状材料多维涡流检测方法和设备，感应加热表面淬硬层、渗碳淬硬层深度的无损检测方法和设备，批量生产零件热处理后硬度的在线无损检测方法和设备，厚壁容器焊接过程实时检测缺陷图像处理与显示，大批量生产球墨儿铁零件球比率及基体组织的在线无损检测系统，高分辨力X射线在线无损检测系统等。

（3）统计过程控制（SPC）技术

统计过程控制（SPC）技术是集生产技术与科学管理于一体的现代质量管理技术，在此方向属于前沿技术的有：渗碳淬火SPC质量控制、精密成形（压铸、精锻等）SPC质量控制和热处理畸变的SPC质量控制等。

人类的生产过程对于产品质量的控制经历了以下七个步骤：①调查了解产品最终质量情况；②分析个别明显影响质量的因素；③靠人工调节控制这些因素的变化；④自动控制这些影响因素；⑤用统计方法获得生产效果连续变化的规律；⑥全面调查了解影响质量的其它次要因素；⑦考虑所有因素，建立完整的理论模型用以控制整个生产过程，得到100%的优质合格产品。目前国际上不少工业先进国家的企业已开始试行第七个步骤的SPC生产，据报道SPC技术已在热处理生产中突出地产生了效果。美国FORD公司、DONA公司、英国BLANDBURGH NENO热处理厂都在研究SPC技术用于热处理的质量控制。美国PENNSYLVANIA METALLURGICAL 公司在1018钢件碳氮共渗过程中最初有25%工件超过要求深度上限（0.46MM），有0.83%的工件达不到渗层下限（0.20MM），通过统计过程分析，改进了工艺，采取了缩短共渗时间、降低炉气碳势、改进料筐、改善炉气循环等措施，最后使超过上限的工件减少到2.9%，低于下限的工件为0.01%。

我国成形与改性生产的质量控制过程当前只限于第1～3步骤，个别企业实现了个别影响因素的自动控制，尚谈不到SPC技术的系统研究开发和应用。

（4）精密传感技术

在机械制造热加工成形和改性技术中使用最普遍的是温度传感器，在温度传感器中当前最突出的是在高温、特种气氛、特别液体中工作的测温元件，如在高温还原性和渗碳性气氛、高温高真空、高温液态金属、熔盐中长期工作的热电偶。其次是高精确度长寿命、可测量炉气微量氧和碳势的氧化锆氧浓差电池（氧探头），感知材料电磁特性微小变化，从而测出材料性能（硬度、强度、组织缺陷）变化的电磁感应器和显视仪表。还有发射超高频声波、具有高灵敏接收背散射声波能力的探头，感知淬火介质冷却烈度、气液流量、