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本文作者：張長英工作單位：南京工業職業技術學院機械工程學院

1引言

在一架飛機中，絕大多數零件都屬于航空結構件，其熱處理具有材料種類繁多、工藝復雜多樣、檢驗控制嚴格和多品種、小批量等特點[1]。因此，設計一個基于航空材料與熱處理標準以及生產實踐經驗的熱處理工藝資源庫，實現工藝設計與管理的規范化、標準化和信息化已經成為航空工業熱處理生產中迫切需要解決的問題之一[1-2]。

2航空結構件熱處理工藝資源庫的整體規劃

2.1工藝資源庫的開發平臺SQLServer是由Microsoft開發的、目前應用范圍最廣的關系數據庫管理系統（DMBS），它具有真正的客戶機/服務器體系結構、圖形化的用戶界面，使系統和數據庫的管理更加直觀、簡單。SQLServer可以與Internet緊密結合，綜合考慮數據量、兼容性、易用性和安全性等因素，是基于網絡的大中型業務首選數據庫平臺.網絡數據庫模式，用戶通過客戶端的瀏覽器，向Web服務器提出操作請求，Web服務器通過調用ADO組件與相應的數據庫進行連接，數據操作在后臺服務器中進行，然后將結果反饋給Web服務器，最后再發送至客戶端、以HTML頁面形式顯示給用戶。2.2工藝資源庫的整體規劃管理的合理性顯得尤為重要。根據航空材料與熱處理工藝及質量檢驗與控制等諸要素之間的關系，構建了航空結構件熱處理工藝資源庫，其總體結構，如圖1所示。

3航空結構件熱處理工藝資源庫的結構設計

航空結構件熱處理工藝資源庫主要包括工藝規則資源庫、工藝決策資源庫、工藝參數數據庫和工藝裝備圖片庫等4部分，每部分又分成若干個子庫。3.1工藝規則資源庫3.1.1熱處理質量檢驗與控制規則庫熱處理質量檢驗與控制規則庫主要是根據相關的航空熱處理標準制定的，包括熱處理制件檢驗類別、化學熱處理（滲碳、碳氮共滲和滲氮等）金相組織檢驗標準和滲層深度測定方法等內容[4]。以航空滲氮處理為例，熱處理質量檢驗分成ⅠN、ⅡN、ⅢN、ⅣN共4類，檢驗的主要項目包括滲層硬度、非滲層硬度、金相組織和滲層深度等，其具體要求，如表1所示。3.1.2熱處理硬度與強度換算規則庫硬度和強度是航空結構件的主要力學性能指標，準確地測量硬度及強度，是工藝設計、產品質量檢驗和制定合理工藝的重要手段。在航空熱處理生產中，有相當一部分零件由于尺寸太大、太小、太薄或幾何形狀不規則，要想直接測量其強度是不現實的，即使通過同批零件破壞性試驗的抽查，也無法直接反映實際零件的性能。在此情況下，往往采用直接測量零件硬度，來換算成強度[4-5]。在所有力學性能測試中，硬度測試是最迅捷、簡便的。以黑色金屬為例，熱處理硬度的檢驗方法主要有四大類:洛氏硬度、布氏硬度、表面洛氏硬度和維氏硬度，根據國內外的相關標準和經驗，這些硬度值之間存在一定的換算關系[4]?；谶@種換算關系，設計一個熱處理硬度與強度換算規則庫，以洛氏硬度中的HRC作為基準硬度檢驗方法，將設計圖紙中提出的強度及硬度換算成HRC硬度值，用于計算某些熱處理參數，并最終落實到熱處理工藝中。3.2工藝決策資源庫在構建熱處理CAPP系統時，需要解決一些關鍵的技術問題，基于航空標準和生產實踐經驗的工藝決策就是其中一項重要的內容，例如熱處理回火溫度以及保溫時間的設定等。3.2.1熱處理回火溫度決策庫航空結構件在淬火后，通常需要進行回火處理，即將熱處理制件加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時間后，再冷卻至室溫。回火有降低脆性、消除應力的作用，其溫度取決于熱處理制件最終所需的力學性能[4-6]。在熱處理回火溫度決策庫中，應首先根據HB/Z136-2000、HB/Z80-1997等航空標準以及生產中積累的經驗數據，建立針對航空結構鋼和航空用不銹鋼/耐熱鋼等材料的硬度與回火溫度對照表，然后再進行相應的工藝決策，其步驟是：（1）將熱處理結構件的力學性能指標（強度或任意一種硬度表達方法）的上、下限值換算成用HRC表達的硬度范圍；（2）計算出硬度上、下限值的算術平均值，從相應的硬度與回火溫度對照表中查詢出其上、下各兩檔硬度及對應的回火溫度，再利用計算程序對這四組數據進行3次插值運算，計算出準確的回火溫度，并按5℃靠檔；（3）回火溫度通常是有一定范圍的，其范圍的大小可根據硬度值波動范圍（即硬度上限減下限的差值，以下稱為硬度的“公差值”）的大小來確定的。工藝決策時可以這樣規定:若零件的硬度公差值小于4個HRC單位時，將回火溫度的范圍設定為±10℃；若零件的硬度公差值在（4～8）個HRC單位時，將回火溫度的范圍定設為±20℃；若零件的硬度公差值大于8個HRC單位時，將回火溫度的范圍定設為±30℃。3.2.2熱處理保溫時間決策庫以常規熱處理為例，其保溫時間通常取決于工藝類型（有時還包括工藝參數）、加熱設備（或加熱介質）以及熱處理制件的條件厚度（或最大厚度）等因素，而化學熱處理的保溫時間則主要取決于工藝類型及滲層深度等因素[4-6]。在熱處理保溫時間決策庫中，應包括航空結構鋼常規熱處理保溫時間計算表、航空用不銹鋼/耐熱鋼常規熱處理保溫時間計算表、航空鋼彈簧制件淬火和回火保溫時間計算表、真空熱處理保溫時間計算表、航空用不銹鋼/耐熱鋼固溶和時效處理保溫時間計算表、航空用鋼滲碳/碳氮共滲保溫時間計算表和航空用鋼滲氮保溫時間計算表等。以30CrMnSiA制件調質處理為例，假設最終的硬度要求為（30～36）HRC、制件的最大厚度為28mm。則熱處理保溫時間的決策過程為：（1）根據航空結構鋼硬度與回火溫度對照表，通過計算、決策出回火的溫度范圍為555±20℃；（2）根據航空結構鋼常規熱處理保溫時間計算表，如表2所示。得到鹽浴爐加熱淬火的保溫時間為（16～35）min、空氣電阻爐回火的保溫時間為（70～120）min。3.3工藝參數數據庫工藝參數數據庫包括預備熱處理工藝參數數據庫、最終熱處理工藝參數數據庫和化學熱處理工藝參數數據庫等3部分內容。預備熱處理工藝參數數據庫包括正火、完全退火、等溫退火、低溫退火、高溫回火和不完全退火等熱處理工藝控制中的主要參數，如加熱溫度、冷卻方式等。此時需要注意，不同材料進行不同處理時的冷卻方式有較大的區別：有的材料需隨爐冷至650℃以下出爐、有的材料需轉入另一溫度熱處理爐內進行等溫后再出爐第7空冷、有的材料則需按一定的速率緩冷至某一溫度后再出爐空冷。最終熱處理工藝參數數據庫主要是指淬火、回火工藝控制中的主要參數，如淬火的加熱溫度、淬火以及回火的冷卻方式等[5-6]。其中，淬火冷卻方式需兼顧加熱設備的影響和限制；回火冷卻時還應兼顧回火脆性等因素的影響?；瘜W熱處理工藝參數數據庫包括滲碳、碳氮共滲和滲氮工藝控制中的主要參數，其中滲碳工藝參數中還應包括滲碳后淬火和低溫回火的參數、滲氮工藝參數中應包括一段法和二段法滲氮的工藝參數。航空用鋼滲碳后的熱處理工藝比較復雜，大部分航空用鋼都需要進行淬火和低溫回火處理，但有些情況還需引起特別注意[4]：（1）對于15CrA、20CrA、12CrNi3A、12Cr2Ni4A這四種材料，為了細化晶粒，可以采取一種“雙重淬火”工藝，即連續進行兩次淬火，再進行低溫回火；（2）對于18CrNi4A這種材料，需要在820±10℃保溫結束后，爐冷至780±10℃保持30min后，再進行油冷（油溫為（40～60）℃）；（3）對于18Cr2Ni4WA這種材料，為了減少熱處理制件變形或降低心部硬度，可以采取一種“復合等溫淬火”工藝，即在855±15℃保溫結束后，轉入（200～250）℃的硝鹽或堿浴中，保持（3～8）min后迅速轉入（500～550）℃的硝鹽槽或電爐中保持一定的時間，然后再進行油冷或空冷。此外，為了減少殘余奧氏體的含量、提高滲層硬度，在滲碳、淬火后還可進行一次深冷處理，同時還能起到穩定制件尺寸和形狀的作用[5-6]。3.4工藝裝備圖片庫在生產過程中，制件在熾熱狀態下進行各種熱處理操作時，需要使用各種各樣的工裝夾具。這種為滿足生產要求、保證熱處理質量和生產安全而使用的工裝夾具及輔助裝置統稱為熱處理工藝裝備，簡稱熱處理工裝。因此，匯集航空熱處理生產實踐中積累的經驗、結合各種特定的熱處理工藝說明書，以及國內外相關的資料，建立一個熱處理工藝裝備圖片庫，并添加到熱處理工藝資源庫中是十分必要的。

4航空結構件熱處理工藝資源庫的特點及應用

綜上所述，工藝資源庫涵蓋了航空結構件熱處理工藝過程所涉及到的大部分數據，如材料牌號、熱處理工藝類型、熱處理質量檢驗與控制要求、航空材料硬度與強度換算、常規及化學熱處理工藝參數、熱處理輔助工道，以及熱處理專用工藝裝備等內容?？傮w上說，工藝資源庫主要有以下幾個特點及應用：（1）匯集近200種航空結構鋼、航空不銹鋼和耐熱鋼等材料的熱處理數據，實現航空結構件熱處理工藝資源的信息化管理。（2）為用戶提供多方位錄入、查詢和更新工藝資源信息的功能。（3）涵蓋了部分航空制造企業在熱處理生產中取得的相關經驗和數據，建立了豐富的工藝裝備圖片庫。（4）以工藝資源庫為基礎，為航空結構件熱處理CAPP系統的開發提供豐富的信息。

5結束語

材料熱處理技術是當前航空裝備制造業中的重要技術之一，在過去的幾十年里，我國研制了大量的新型金屬材料、引進并消化吸收了許多國外先進的熱處理工藝技術和裝備，實施了熱處理的全面質量控制。目前，隨著信息技術的不斷發展，國內的部分研究機構已開始利用計算機信息處理和信息管理的優勢、致力于熱處理CAPP系統中關鍵技術的研究[7]。其中，熱處理工藝資源庫的建立又是一項艱巨、重要，而又頗具實用價值的工作，它可以充分利用網絡資源，實現熱處理工藝數據及相關資源的動態查詢、更新和網絡共享，不斷提高航空產品的熱處理質量和企業的經濟效益。