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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(guó)已經(jīng)成為世界范圍的制造強(qiáng)國(guó)，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(lái)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(duì)于感應(yīng)熱處理而言，無(wú)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(lái)質(zhì)量控制的弊端。比如，你無(wú)法控制其中任何一件產(chǎn)品的狀態(tài)，也就無(wú)法針對(duì)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(shì)，可以針對(duì)每件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(zhǎng)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(lái)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(shì)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(lái)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(lái)。

 

圖1某型法蘭盤的外觀，眾所周知，在機(jī)械加工圖樣中，無(wú)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(jiàn)圖2），圖中不僅示出了淬火硬化層的輪廓線，還有對(duì)應(yīng)的偏差。此處術(shù)語(yǔ)以“偏差”來(lái)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(méi)問(wèn)題，服役過(guò)程是安全的。因此，在我國(guó)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(kāi)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(duì)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(duì)刀具有極高的認(rèn)識(shí)。而我們對(duì)感應(yīng)器的認(rèn)識(shí)高度則遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。除一些國(guó)際性公司外，我國(guó)很多企業(yè)的感應(yīng)器甚至不向?qū)I(yè)公司訂購(gòu)，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(méi)有互換性。因?yàn)?，我們目前還沒(méi)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(jué)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(duì)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(chǎng)，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(guò)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(lái)，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(chǎng)合，無(wú)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(guò)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(guó)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(duì)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(lái)機(jī)制感應(yīng)器越來(lái)越多，已成為批量生產(chǎn)企業(yè)的首選。

 

（3）機(jī)床的“刀具庫(kù)”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(kù)”。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(kù)的要求來(lái)管理感應(yīng)器庫(kù)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(jiàn)圖3）。這在國(guó)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(guó)際化的感應(yīng)熱處理專業(yè)公司在朝這方面努力，國(guó)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(jiàn)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(wú)論是切削刀具還是感應(yīng)器都相同。雖然加工過(guò)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(wú)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(guò)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(duì)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(wú)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(lái)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(rùn)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(duì)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(cè)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(guò)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(duì)感應(yīng)淬火機(jī)床的評(píng)價(jià)中。

 

工序能力是工序加工過(guò)程性能的允許最大變化范圍與過(guò)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)。

 

現(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(lái)進(jìn)行某生產(chǎn)的工序能力評(píng)價(jià)。Cpk是Complex Process Capability index 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(duì)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(lái)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(wú)論硬度、淬硬層深度）的檢測(cè)比幾何尺寸的檢測(cè)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(cè).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(cè)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(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)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(duì)于冷加工的生產(chǎn)管理技術(shù)了解機(jī)會(huì)不多。

 

國(guó)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)高效高質(zhì)量地生產(chǎn)。

 

感應(yīng)熱處理具有和冷加工相似的生產(chǎn)組織特點(diǎn)，讓我們能夠脫開(kāi)常規(guī)熱處理的粗放管理模式，更多地借鑒和使用冷加工相似的生產(chǎn)組織理念，從而達(dá)到精細(xì)感應(yīng)熱處理的目標(biāo)。

 

為此，我們建議感應(yīng)熱處理生產(chǎn)組織者：①自主學(xué)習(xí)冷加工的質(zhì)量管理體系。②盡量采用數(shù)控感應(yīng)淬火機(jī)床。③感應(yīng)器專業(yè)化定制，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)連接和快換，保證互換性和安裝精度。④自覺(jué)執(zhí)行ISO9000中關(guān)于工序能力的評(píng)價(jià)方法，持續(xù)提升感應(yīng)熱處理的加工能力。