微處理器在熱加工中的發(fā)展與應(yīng)用

孔建， 姜超， 田莉莉

（煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái)264006）

1 引 言

作為現(xiàn)代工業(yè)制造的重要工藝步驟，熱加工工藝的設(shè)計(jì)和控制是確保材料性能的重要措施。熱加工技術(shù)的進(jìn)步，給制造業(yè)帶來了新的生產(chǎn)模式和發(fā)展途徑。隨著人們對(duì)工業(yè)品質(zhì)量和性能多樣化的要求越來越高，熱加工技術(shù)面臨著機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的局面。技術(shù)人員都在致力于提高熱加工水平，使熱加工發(fā)展成一種高效、節(jié)能、無污染、低成本的工藝技術(shù)。

2 熱加工及其工藝特點(diǎn)

如果在金屬學(xué)范疇內(nèi)進(jìn)行定義，人們把在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行塑性變形稱為熱加工。熱加工的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是使未成形的金屬實(shí)現(xiàn)成形并改善內(nèi)部組織；二是對(duì)已成形的金屬改變結(jié)晶狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能的提高。在實(shí)際生產(chǎn)中，常見的鑄造、鍛造、熱軋、焊接、熱處理等工藝都統(tǒng)稱為熱加工。常見熱加工工藝及其主要特點(diǎn)，如表1 所述。

熱加工對(duì)金屬的組織和性能產(chǎn)生了巨大的影響，主要包括以下4 個(gè)方面：（1）改善金屬的組織：熱加工可以明顯改善金屬中的氣孔、疏松等組織缺陷、消除偏析、均勻化學(xué)成分等，從而明顯提高材料的性能；（2）改變晶粒大?。赫５臒峒庸ひ话憧梢约?xì)化晶粒，提高材料性能；（3）形成纖維組織：熱加工中形成纖維組織，有利于提高材料的塑性和沖擊韌性等性能，但是纖維組織的形成有賴于合理的設(shè)計(jì)熱加工工藝；（4）形成帶狀組織：金屬中產(chǎn)生了帶狀組織，將產(chǎn)生橫向塑韌性顯著降低等問題，所以熱加工時(shí)需盡量避免帶狀組織的產(chǎn)生。

熱加工過程中極其關(guān)鍵的技術(shù)之一就是對(duì)溫度的控制。金屬的熱加工必須準(zhǔn)確控制在一定的溫度范圍之內(nèi)，這是提升熱加工產(chǎn)品質(zhì)量所面臨的主要問題。眾所周知，熱加工所用的各種設(shè)備本身就是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，且產(chǎn)品質(zhì)量的影響因素多，所以熱加工工藝過程的精確控制就成為特別重要的技術(shù)。

表1 常見熱加工工藝及其主要特點(diǎn)

3 微處理器概述及特點(diǎn)

3.1 微處理器的概念

微處理器（或中央處理器），是一種有大規(guī)模集成電路的芯片，是微型計(jì)算機(jī)中的核心設(shè)備。微處理器主要由運(yùn)算部分、控制部分和寄存器三部分構(gòu)成。其中，運(yùn)算部分用于進(jìn)行各種算數(shù)和邏輯運(yùn)算，控制部分用于完成各部分的協(xié)調(diào)和控制，寄存器用于存放數(shù)據(jù)、變址和堆棧指針。微處理器的內(nèi)部充滿電子電路的邏輯門，即晶體管，利用不同的晶體管來達(dá)到處理、控制和儲(chǔ)存的目的。

3.2 微處理器特點(diǎn)

一個(gè)微處理器就是一個(gè)計(jì)算機(jī)，微處理器秉著使體積最小化、成本最低化的原則，在市場中占據(jù)著越來越重要的地位。微處理器的主要特點(diǎn)如表2 所述。

表2 微處理器的主要特點(diǎn)

4 熱加工行業(yè)中微處理器的發(fā)展和應(yīng)用情況分析

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)熱加工工藝過程的精度控制、能源節(jié)約和效率要求越來越高。目前，各種熱加工方法主要是借助于微處理器對(duì)過程實(shí)行控制，由于微處理器能進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，執(zhí)行指令、與外界設(shè)備互換數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，執(zhí)行程序的精確性得到保證，能更精確地執(zhí)行工藝方面的特殊要求，保證工藝參數(shù)的精確性，確保工藝過程的規(guī)范，提高熱加工效益，從而減少熱加工過程中的能量消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。如今，人們?cè)絹碓街匾曃⑻幚砥髟跓峒庸ば袠I(yè)中的應(yīng)用。

4.1 在鑄造中的情況分析

鑄造是一種使用較早的熱加工工藝，也是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一。具體來講，就是在特定形狀鑄模中加入室溫為液態(tài)但隨后能固化的物質(zhì)，使其凝固成形的一種加工方法。隨著綜合性能更高的期望和人們對(duì)節(jié)能、環(huán)保的要求，對(duì)鑄造技術(shù)的提高刻不容緩。

微處理器在鑄造工藝中的發(fā)展和應(yīng)用主要體現(xiàn)在工藝參數(shù)控制、工藝過程的計(jì)算機(jī)模擬等方面。在工藝參數(shù)控制方面，技術(shù)人員引入微處理器對(duì)真空調(diào)壓鑄造、低壓鑄造液面加壓控制、超聲鑄造電源等工藝過程進(jìn)行精確控制［1］，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的現(xiàn)代鑄造。在計(jì)算機(jī)模擬方面，基于微處理器對(duì)圓柱面鐵路橋梁支座、電機(jī)皮帶輪、頭部鏈輪體、冷卻機(jī)輪轂、扇形平板等產(chǎn)品的鑄造工藝進(jìn)行模擬［2］，進(jìn)行方案優(yōu)選，為實(shí)際生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)，從而有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量、降低了生產(chǎn)成本。

4.2 在鍛造中的情況分析

鍛造是指通過施加壓力在金屬上，使金屬發(fā)生塑性變形從而使其獲得一定的形狀、尺寸和機(jī)械性能的加工方法。鍛造作為一種重要的熱加工工藝，其工藝過程的控制和技術(shù)改進(jìn)，是確保鍛件產(chǎn)品質(zhì)量和滿足現(xiàn)代工業(yè)制造更高要求的關(guān)鍵所在。

微處理器作為一種強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、管理和預(yù)測(cè)工具，也越來越多地應(yīng)用在鍛造工藝過程中。在鍛造操作機(jī)控制、等溫鍛造、模鍛水壓機(jī)動(dòng)梁速度、鍛壓機(jī)液壓系統(tǒng)、模鍛液壓機(jī)控制等方面［3］，微處理器得到了較大的發(fā)展和應(yīng)用，為鍛造工藝過程的精確控制發(fā)揮了積極的作用，有效提高了鍛造質(zhì)量。同時(shí)，微處理器還被廣泛用于對(duì)重卡前軸成形輥鍛、馬蹄形接頭等溫鍛造、閥體胎模鍛以止推軸承毛坯、刮板、鎂合金汽車控制臂、大型突變截面連桿制坯等的鍛造工藝過程模擬［4］，為減少試驗(yàn)次數(shù)、加快研發(fā)步伐、提高企業(yè)效率起到了卓有成效的作用。

4.3 在熱軋中的情況分析

熱軋也是熱加工中常用的一種方法，它是指高于再結(jié)晶溫度的軋制方法。同其它熱加工一樣，熱軋工藝的影響因素也較多，產(chǎn)品質(zhì)量與熱軋工藝過程的合理設(shè)計(jì)和精確控制密切相關(guān)。為了進(jìn)一步提高熱軋水平，人們把微處理器引入了熱軋工藝中，進(jìn)行熱軋過程中的鋼帶電控系統(tǒng)平臺(tái)、加熱爐脈沖、帶鋼寬度、加熱爐燃燒和帶鋼層流冷卻工藝等的控制，以及無鎳耐候鋼熱軋流變應(yīng)力、Al-Zn-Mg-Cu-Zr 合金多道次熱軋、不銹鋼熱軋層流冷卻過程的溫度變化和微合金化熱軋TRIP 鋼工藝等的模擬［5］。劉文仲［6］調(diào)研發(fā)現(xiàn)我國自改革開放后的三十幾年來，把各國著名公司的帶鋼熱連軋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型都引進(jìn)了中國。

4.4 在焊接中的情況分析

焊接是熱加工中的一種重要的工藝方法，在加壓或加熱條件下，用或者不用填料，使同種或異種材質(zhì)的工件實(shí)現(xiàn)原子間結(jié)合，形成牢固連接。焊接過程非常復(fù)雜，影響因素多，且肉眼往往難以觀察，需要借助其它手段才能更好地實(shí)現(xiàn)工藝控制和提高焊接質(zhì)量。

為此，人們將微處理器廣泛地應(yīng)用在焊接工藝中，如：電子束焊接、數(shù)字化直流脈沖MIG 焊接、串聯(lián)電弧焊接等工藝過程的控制；研究了16MnR 鋼的焊接性及厚板焊接質(zhì)量、低溫鋼16MnDR 大型矩形截面結(jié)構(gòu)焊接變形、基于MIG/MAG 的環(huán)縫焊機(jī)焊槍運(yùn)動(dòng)、高速列車下薄壁電氣控制箱焊接變形、弧焊過程熔透性等的控制策略和方法；模擬了鋼材薄壁圓筒環(huán)縫電子束焊接數(shù)值、鋁合金攪拌摩擦焊接數(shù)值、不銹鋼激光搭接焊接頭溫度場數(shù)值、高頻電阻焊連續(xù)油管焊接組織性能等，有效提高了焊接過程的控制和焊接質(zhì)量。

4.5 在熱處理中的情況分析

作為一種重要的熱加工方法，熱處理一直備受關(guān)注。它是指置于某種介質(zhì)的金屬材料經(jīng)過加熱、保溫和冷卻，通過材料表面或內(nèi)部金相組織的改變，來控制材料性能的方法。熱處理過程中最重要的是控制工藝參數(shù)，如氣氛的成分，溫度的規(guī)范，爐中的真空度和壓力大小等。熱處理質(zhì)量往往取決于這些工藝參數(shù)的控制，現(xiàn)代發(fā)達(dá)工業(yè)國家的熱處理參數(shù)控制都是通過微處理器來完成的。在熱處理工藝中，微處理器得到了廣泛的應(yīng)用，利用其快速計(jì)算能力完成熱處理過程中的數(shù)據(jù)處理、性能預(yù)測(cè)和輔助設(shè)計(jì)；建立熱處理工藝中的數(shù)學(xué)模型，控制調(diào)節(jié)溫度、壓力、電壓等參數(shù)；記錄、管理和分析整個(gè)工藝過程的數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 論

鑄造、鍛造、熱軋、焊接、熱處理等熱加工方法在不斷的更新和進(jìn)步，也需要完成更加復(fù)雜、更加高質(zhì)量的熱加工工藝。同時(shí)，隨著市場的不斷擴(kuò)大，微處理器的功能不斷完善、性能越發(fā)提高、價(jià)格也更加低廉；微處理器在熱加工過程中扮演著越來越重要的角色，提高了熱加工過程的效能，大大地保證了控制精度和工藝規(guī)范，節(jié)約了能源，減少了生產(chǎn)成本，從而更加推動(dòng)了微處理器在熱加工行業(yè)中的普及程度。另一方面，在我國，微處理器在熱加工中的應(yīng)用研究成果，絕大部分掌握在高校和科研單位，企業(yè)可以采用產(chǎn)學(xué)研等合作模式將成果盡早利用在實(shí)際生產(chǎn)中，減少自身研發(fā)投入，加快高技術(shù)的應(yīng)用，提升企業(yè)競爭力。

［1］ 王狂飛，周志杰，王有超，等.鑄鋁ZL205A 石膏型低壓鑄造工藝計(jì)算機(jī)模擬［J］.熱加工工藝，2011，40（17）：57-61.

［2］ 李文革，劉學(xué)斌.計(jì)算機(jī)模擬在圓柱面支座鑄造工藝優(yōu)化中的應(yīng)用［J］.熱加工工藝，2010，39（7）：62-66.

［3］ 黃長征，等.基于PFC-（PID-H∞）300MN 模鍛水壓機(jī)動(dòng)梁速度跟蹤控制［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，41（3）：966-970.

［4］ 黃云峰.TC4 馬蹄形接頭等溫鍛造成形工藝數(shù)值模擬研究［J］.熱加工工藝，2012，41（13）：130-137.

［5］ 王明華，權(quán)芳民，孫文強(qiáng)，等.不銹鋼熱軋層流冷卻過程的溫度模擬［J］.工業(yè)爐，2012，34（4）：1-4.

［6］ 劉文仲. 我國熱軋過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型的發(fā)展［J］.冶金自動(dòng)化，2012，36（4）：1-7.