提高感應(yīng)熱處理應(yīng)用水平的途徑在這里

感應(yīng)熱處理以其具有綠色、高效，節(jié)能，以及易組成生產(chǎn)線等特點(diǎn)，而成為現(xiàn)代熱處理的主要手段之一。筆者在之前的文章中曾經(jīng)論述了現(xiàn)代感應(yīng)熱處理的特征，其中很多符合現(xiàn)代冷加工的特征，其是目前唯一和冷加工生產(chǎn)組織相類似的高效熱處理工藝。雖然我國已經(jīng)成為世界范圍的制造強(qiáng)國，機(jī)械制造特別是冷加工普遍采用CNC/CAM技術(shù)，生產(chǎn)組織和質(zhì)量控制已經(jīng)有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)和成熟的模式，但是感應(yīng)熱處理與機(jī)械加工相比，生產(chǎn)組織和質(zhì)量控制的技術(shù)差距很大。本文類比了感應(yīng)熱處理工藝與零件切削等冷加工工藝的共性，提出了借鑒冷加工的生產(chǎn)組織和質(zhì)量管理的方法來提高感應(yīng)熱處理應(yīng)用水平的途徑。

1.單件加工零件熱處理模式有單件加工和批量加工兩種模式。感應(yīng)熱處理是單件加工模式，而采用加熱爐進(jìn)行的其他熱處理加工是批量加工模式。對于感應(yīng)熱處理而言，無論企業(yè)產(chǎn)能多大，每個(gè)零件的感應(yīng)熱處理都是逐個(gè)進(jìn)行的。而唯一增加產(chǎn)能的辦法就是增加加工單元的數(shù)量，比如，單工位機(jī)床增加機(jī)床的數(shù)量；多工位機(jī)床增加工位的數(shù)量。批量加工的好處是增加了產(chǎn)能，但也帶來質(zhì)量控制的弊端。比如，你無法控制其中任何一件產(chǎn)品的狀態(tài)，也就無法針對任何其中一件產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制。為了確保同批次的零件加工結(jié)果都一致，只有提高爐膛的狀態(tài)均勻性，如溫度均勻性、氣氛均勻性等；另外，還需要增加控制采樣的數(shù)量。而爐膛由于有結(jié)構(gòu)上的不均一性，如有出入口、拐角等，要達(dá)到完全均勻是不可能的。單件加工在質(zhì)量控制方面則有獨(dú)到的優(yōu)勢，可以針對每件進(jìn)行監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的追溯。在加工完成后也可以逐件檢查。

零件的冷加工切削完全采用單件加工模式。而冷加工的零件質(zhì)量控制已經(jīng)有非常完備的體系和實(shí)施措施，特別是CNC、CAM技術(shù)的應(yīng)用，讓零件的在線加工質(zhì)量精度有了長足的提高，零件的加工一致性也很好。同樣地，感應(yīng)淬火也越來越多采用CNC、CAM技術(shù)，因此，只要我們采用冷加工的成熟生產(chǎn)組織方式，就能一樣大幅提升感應(yīng)熱處理的產(chǎn)品質(zhì)量一致性。感應(yīng)熱處理單件生產(chǎn)另一優(yōu)勢是生產(chǎn)組織按節(jié)拍配置，工時(shí)核定，成本精確控制。

2.加工偏差（公差）限定要控制單件加工結(jié)果的一致性，在冷加工切削工藝中是采用公差帶來約束的。這在感應(yīng)熱處理加工上同樣適用，這可從零件產(chǎn)品的技術(shù)圖樣標(biāo)識(shí)上看出來。圖1某型法蘭盤的外觀，眾所周知，在機(jī)械加工圖樣中，無論是軸向尺寸還是徑向尺寸都有詳盡的公差標(biāo)識(shí)。而感應(yīng)淬火的加工圖樣與其類同（見圖2），圖中不僅示出了淬火硬化層的輪廓線，還有對應(yīng)的偏差。此處術(shù)語以“偏差”來區(qū)分“公差”，不僅是由于冷熱加工的不同，而且是由于它們的量級(jí)差別很大。比如，淬硬層在①處的有效深度（SHD）為2.6+0.8mm;其中2.6mm是基本要求淬火硬化層深度（公稱值，下差），而+0.8mm則是允許的上差。類似地，淬硬層在②處的有效深度（SHD）為1.1+1.8mm;其中1.1mm是要求淬火硬化層公稱深度（下差），而+1.8mm則是允許的上差。而淬硬層在軸向的起始點(diǎn)③處1.71+3mm；淬硬層在徑向的起始點(diǎn)③處26+5mm。圖1

法蘭盤示例圖2法蘭盤的淬火硬化層分布及偏差示例零件的尺寸公差保證了其在總成上的裝配一致性；零件的感應(yīng)淬火硬化層的加工偏差則保證了零件的承載能力一致性，甚至是變形的一致性。我們知道硬化層深度大于應(yīng)力透入深度時(shí)則零件的承載能力沒問題，服役過程是安全的。因此，在我國以前的粗放感應(yīng)淬火處理工藝圖樣要求中只規(guī)定了硬化層的最小值；但是隨零件的硬化層深度增大，內(nèi)應(yīng)力增大，變形也增大，特殊情況下甚至造成開裂。因此，現(xiàn)代感應(yīng)熱處理精細(xì)加工的要求不僅規(guī)定下差，同時(shí)規(guī)定允許的上差。雖然偏差的量級(jí)(mm)比冷加工的量級(jí)（μm）大的多。3.感應(yīng)器與刀具相對于零件的切削加工工藝的刀具，感應(yīng)器就是感應(yīng)熱處理的“刀具”。為了達(dá)到切削加工的一致性，工藝人員對刀具有極高的認(rèn)識(shí)。而我們對感應(yīng)器的認(rèn)識(shí)高度則遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。除一些國際性公司外，我國很多企業(yè)的感應(yīng)器甚至不向?qū)I(yè)公司訂購，還停留在“自給自足”的老師傅帶徒弟的手工制作模式上。而即使專業(yè)公司，大家的感應(yīng)器設(shè)計(jì)制作標(biāo)準(zhǔn)不一，沒有互換性。因?yàn)?，我們目前還沒有一個(gè)關(guān)于感應(yīng)器設(shè)計(jì)制造的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。我們覺得，感應(yīng)器也可以像刀具一樣，符合一些共性特點(diǎn)，包括：（1）一般由特殊材料制造，針對加工零件和加工工藝特殊設(shè)計(jì)。就像刀具由特殊材料制造一樣，感應(yīng)器的制造也必須采用特殊材料。感應(yīng)熱處理的感應(yīng)器其主要作用是產(chǎn)生一定形狀的電磁場，與工件被加熱的部位耦合產(chǎn)生一定形狀分布的渦流，最終實(shí)現(xiàn)淬火。因此，要求感應(yīng)器工作線圈的導(dǎo)電性很好。同時(shí)，在感應(yīng)熱處理過程中的電磁力要求感應(yīng)器要有一定的剛度。同時(shí)考慮材料的經(jīng)濟(jì)性，綜合起來，純銅成為行業(yè)公認(rèn)的第一選擇。常用的純銅牌號(hào)是T2，在一些特殊應(yīng)用場合，無氧銅可以大幅提高導(dǎo)電率而被選擇。（2）高的制造精度和工藝過程精度。隨著制造業(yè)的發(fā)展，刀具的手工制造已被專門的機(jī)械化批量生產(chǎn)取代。但目前我國感應(yīng)熱處理行業(yè)內(nèi)的許多感應(yīng)器制造大多還停留在手工制造階段，對制作人的依存性很高，顯然難以滿足現(xiàn)代加工要求。近年來機(jī)制感應(yīng)器越來越多，已成為批量生產(chǎn)企業(yè)的首選。（3）機(jī)床的“刀具庫”是現(xiàn)代機(jī)床高效加工的另一個(gè)特點(diǎn)。感應(yīng)淬火加工要實(shí)現(xiàn)高效和可靠生產(chǎn)，可以借鑒設(shè)置機(jī)床的“感應(yīng)器庫”。雖然感應(yīng)器的更換頻率不像加工中心那樣頻繁，但是按照管理刀具庫的要求來管理感應(yīng)器庫是完全正確的。這就要求感應(yīng)器定型，尺寸一致性高，設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)化程度高，互換性好。訂制專業(yè)公司的感應(yīng)器或機(jī)制感應(yīng)器易于達(dá)到要求。（4）高精度的連接和快換功能。刀具的標(biāo)準(zhǔn)化的典型特征之一是刀柄的標(biāo)準(zhǔn)化（見圖3）。這在國際上已經(jīng)形成幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系列。它是刀具實(shí)現(xiàn)快速更換，可靠連接，高精度定位的核心。感應(yīng)器的連接標(biāo)準(zhǔn)化還未達(dá)到這個(gè)程度，還未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前已經(jīng)有一些國際化的感應(yīng)熱處理專業(yè)公司在朝這方面努力，國內(nèi)也有標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品推出。如我公司的專利產(chǎn)品“感應(yīng)器伴侶”（見圖4），既是實(shí)現(xiàn)感應(yīng)器快換和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的有效選擇。（5）壽命和加工數(shù)量相關(guān)。當(dāng)加工到一定數(shù)量后，“刀具”就是達(dá)到壽命了，這一點(diǎn)無論是切削刀具還是感應(yīng)器都相同。雖然加工過程感應(yīng)器和工件不接觸，但是反復(fù)的通斷電以及冷熱疲勞同樣造成其失效，必須更換新的。這就再次要求感應(yīng)器的制造精度和刀具一樣有好的替換性。

圖3

標(biāo)準(zhǔn)刀柄示例之一圖4標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)器靴示例之一4.機(jī)床

無論是感應(yīng)熱處理加工還是切削（冷）加工，加工的實(shí)施是通過機(jī)床。感應(yīng)淬火機(jī)床和冷加工機(jī)床有很多共性，也有各自的特殊性。對比兩類機(jī)床的典型特征可知，這兩類機(jī)床除了感應(yīng)器與工件不接觸，無切削力從而使得感應(yīng)淬火機(jī)床的噸位較輕外，機(jī)床主機(jī)的其它特征相同性很高。在冷加工機(jī)床領(lǐng)域運(yùn)用的高新技術(shù)目前已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到感應(yīng)淬火機(jī)床上。比如，數(shù)控技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)管理，柔性加工中心等。在機(jī)床結(jié)構(gòu)上更多采用線性運(yùn)動(dòng)單元，標(biāo)準(zhǔn)分度回轉(zhuǎn)單元，集中潤滑等。另外，感應(yīng)淬火加工區(qū)域還受淬火液濺射浸蝕，因此淬火液能夠?yàn)R射到的區(qū)域一般采用不銹材料制造。至于機(jī)床輔機(jī)，區(qū)別較大但不影響操作運(yùn)轉(zhuǎn)模式。切削機(jī)床輔機(jī)對主機(jī)的有效運(yùn)行起保障作用，需要按規(guī)程進(jìn)行維護(hù)，一般不參與產(chǎn)品的質(zhì)量管理。感應(yīng)熱處理機(jī)床輔機(jī)，包括感應(yīng)加熱電源和淬火液循環(huán)冷卻系統(tǒng)則直接涉及到產(chǎn)品質(zhì)量管理，需要監(jiān)測和控制，其控制精度影響感應(yīng)熱處理的加工質(zhì)量，因此，在進(jìn)行投資預(yù)算以及生產(chǎn)運(yùn)行成本預(yù)算時(shí)應(yīng)單獨(dú)予以保證。5.機(jī)床工序能力Cpk

在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品加工指標(biāo)的波動(dòng)是不可避免的。目前冷加工和感應(yīng)熱處理機(jī)床更多采用數(shù)控機(jī)床，其評(píng)價(jià)冷加工數(shù)控機(jī)床工序能力的指標(biāo)也被引入對感應(yīng)淬火機(jī)床的評(píng)價(jià)中。工序能力是工序加工過程性能的允許最大變化范圍與過程的正常偏差的比值。工序能力研究在于確認(rèn)這些特性符合規(guī)格的程度，以保證加工成品不符規(guī)格的不良率在要求的水準(zhǔn)之上，作為加工持續(xù)改善的依據(jù)?，F(xiàn)代質(zhì)量管理體系，特別是企業(yè)進(jìn)行ISO9000、QS9000等質(zhì)量管理認(rèn)證要求，采用Cpk來進(jìn)行某生產(chǎn)的工序能力評(píng)價(jià)。Cpk是ComplexProcessCapabilityindex的縮寫，表明了該工序保證目標(biāo)精度的能力。附表為某企業(yè)對感應(yīng)淬火機(jī)床投產(chǎn)前工序能力的Cpk值要求示例。Cpk是準(zhǔn)確度和精確度的中和，其越大越好。目前在連續(xù)生產(chǎn)線上的感應(yīng)熱處理機(jī)床，已經(jīng)采用Cpk來衡量機(jī)床的加工能力了。特別是用于汽車行業(yè)零件熱處理的感應(yīng)淬火加工設(shè)備。由于加工件熱處理指標(biāo)（無論硬度、淬硬層深度）的檢測比幾何尺寸的檢測復(fù)雜的多,大多時(shí)候需要切樣和金相制備然后才能檢測.因此,一個(gè)名義尺寸的Cpk值計(jì)算在同樣樣本數(shù)量下所需的工作量和檢測成本要比冷加工大得多,這個(gè)需要特別注意.6.借鑒冷加工模式，提高感應(yīng)熱處理應(yīng)用水平長期以來，我國的機(jī)械制造企業(yè)追求大而全，產(chǎn)品種類多。企業(yè)內(nèi)冷熱加工界限分明，熱處理加工往往單獨(dú)離線運(yùn)行。這主要是因?yàn)槎鄶?shù)熱處理加工工藝必須離線進(jìn)行。比如電阻爐、氣氛爐、真空爐等中進(jìn)行的熱處理加工。因此，我們已經(jīng)習(xí)慣于熱處理粗放式加工，而且，對于冷加工的生產(chǎn)管理技術(shù)了解機(jī)會(huì)不多。國外企業(yè)專業(yè)化程度高，產(chǎn)品細(xì)化程度高。有些企業(yè)專門圍繞一類零部件組織生產(chǎn)，因而生產(chǎn)線自動(dòng)化程度高，感應(yīng)熱處理應(yīng)用水平高。感應(yīng)熱處理已經(jīng)能夠做到精細(xì)加工。如TRW廊坊公司專業(yè)氣門生產(chǎn)；賀爾碧格常州公司專門生產(chǎn)同步器齒環(huán)；尼波齒輪天津公司專門生產(chǎn)回轉(zhuǎn)支承齒圈等。在這些企業(yè)感應(yīng)熱處理加工已經(jīng)和其他冷加工一樣并線組織管理，按照生產(chǎn)綱領(lǐng)，工藝節(jié)拍，定額工時(shí)高效