航空资源库的规划与运用

本文作者：张长英工作单位：南京工业职业技术学院机械工程学院

1引言

在一架飞机中，绝大多数零件都属于航空结构件，其热处理具有材料种类繁多、工艺复杂多样、检验控制严格和多品种、小批量等特点[1]。因此，设计一个基于航空材料与热处理标准以及生产实践经验的热处理工艺资源库，实现工艺设计与管理的规范化、标准化和信息化已经成为航空工业热处理生产中迫切需要解决的问题之一[1-2]。

2航空结构件热处理工艺资源库的整体规划

2.1工艺资源库的开发平台SQLServer是由Microsoft开发的、目前应用范围最广的关系数据库管理系统（DMBS），它具有真正的客户机/服务器体系结构、图形化的用户界面，使系统和数据库的管理更加直观、简单。SQLServer可以与Internet紧密结合，综合考虑数据量、兼容性、易用性和安全性等因素，是基于网络的大中型业务首选数据库平台.网络数据库模式，用户通过客户端的浏览器，向Web服务器提出操作请求，Web服务器通过调用ADO组件与相应的数据库进行连接，数据操作在后台服务器中进行，然后将结果反馈给Web服务器，最后再发送至客户端、以HTML页面形式显示给用户。2.2工艺资源库的整体规划管理的合理性显得尤为重要。根据航空材料与热处理工艺及质量检验与控制等诸要素之间的关系，构建了航空结构件热处理工艺资源库，其总体结构，如图1所示。

3航空结构件热处理工艺资源库的结构设计

航空结构件热处理工艺资源库主要包括工艺规则资源库、工艺决策资源库、工艺参数数据库和工艺装备图片库等4部分，每部分又分成若干个子库。3.1工艺规则资源库3.1.1热处理质量检验与控制规则库热处理质量检验与控制规则库主要是根据相关的航空热处理标准制定的，包括热处理制件检验类别、化学热处理（渗碳、碳氮共渗和渗氮等）金相组织检验标准和渗层深度测定方法等内容[4]。以航空渗氮处理为例，热处理质量检验分成ⅠN、ⅡN、ⅢN、ⅣN共4类，检验的主要项目包括渗层硬度、非渗层硬度、金相组织和渗层深度等，其具体要求，如表1所示。3.1.2热处理硬度与强度换算规则库硬度和强度是航空结构件的主要力学性能指标，准确地测量硬度及强度，是工艺设计、产品质量检验和制定合理工艺的重要手段。在航空热处理生产中，有相当一部分零件由于尺寸太大、太小、太薄或几何形状不规则，要想直接测量其强度是不现实的，即使通过同批零件破坏性试验的抽查，也无法直接反映实际零件的性能。在此情况下，往往采用直接测量零件硬度，来换算成强度[4-5]。在所有力学性能测试中，硬度测试是最迅捷、简便的。以黑色金属为例，热处理硬度的检验方法主要有四大类:洛氏硬度、布氏硬度、表面洛氏硬度和维氏硬度，根据国内外的相关标准和经验，这些硬度值之间存在一定的换算关系[4]。基于这种换算关系，设计一个热处理硬度与强度换算规则库，以洛氏硬度中的HRC作为基准硬度检验方法，将设计图纸中提出的强度及硬度换算成HRC硬度值，用于计算某些热处理参数，并最终落实到热处理工艺中。3.2工艺决策资源库在构建热处理CAPP系统时，需要解决一些关键的技术问题，基于航空标准和生产实践经验的工艺决策就是其中一项重要的内容，例如热处理回火温度以及保温时间的设定等。3.2.1热处理回火温度决策库航空结构件在淬火后，通常需要进行回火处理，即将热处理制件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后，再冷却至室温。回火有降低脆性、消除应力的作用，其温度取决于热处理制件最终所需的力学性能[4-6]。在热处理回火温度决策库中，应首先根据HB/Z136-2000、HB/Z80-1997等航空标准以及生产中积累的经验数据，建立针对航空结构钢和航空用不锈钢/耐热钢等材料的硬度与回火温度对照表，然后再进行相应的工艺决策，其步骤是：（1）将热处理结构件的力学性能指标（强度或任意一种硬度表达方法）的上、下限值换算成用HRC表达的硬度范围；（2）计算出硬度上、下限值的算术平均值，从相应的硬度与回火温度对照表中查询出其上、下各两档硬度及对应的回火温度，再利用计算程序对这四组数据进行3次插值运算，计算出准确的回火温度，并按5℃靠档；（3）回火温度通常是有一定范围的，其范围的大小可根据硬度值波动范围（即硬度上限减下限的差值，以下称为硬度的“公差值”）的大小来确定的。工艺决策时可以这样规定:若零件的硬度公差值小于4个HRC单位时，将回火温度的范围设定为±10℃；若零件的硬度公差值在（4～8）个HRC单位时，将回火温度的范围定设为±20℃；若零件的硬度公差值大于8个HRC单位时，将回火温度的范围定设为±30℃。3.2.2热处理保温时间决策库以常规热处理为例，其保温时间通常取决于工艺类型（有时还包括工艺参数）、加热设备（或加热介质）以及热处理制件的条件厚度（或最大厚度）等因素，而化学热处理的保温时间则主要取决于工艺类型及渗层深度等因素[4-6]。在热处理保温时间决策库中，应包括航空结构钢常规热处理保温时间计算表、航空用不锈钢/耐热钢常规热处理保温时间计算表、航空钢弹簧制件淬火和回火保温时间计算表、真空热处理保温时间计算表、航空用不锈钢/耐热钢固溶和时效处理保温时间计算表、航空用钢渗碳/碳氮共渗保温时间计算表和航空用钢渗氮保温时间计算表等。以30CrMnSiA制件调质处理为例，假设最终的硬度要求为（30～36）HRC、制件的最大厚度为28mm。则热处理保温时间的决策过程为：（1）根据航空结构钢硬度与回火温度对照表，通过计算、决策出回火的温度范围为555±20℃；（2）根据航空结构钢常规热处理保温时间计算表，如表2所示。得到盐浴炉加热淬火的保温时间为（16～35）min、空气电阻炉回火的保温时间为（70～120）min。3.3工艺参数数据库工艺参数数据库包括预备热处理工艺参数数据库、最终热处理工艺参数数据库和化学热处理工艺参数数据库等3部分内容。预备热处理工艺参数数据库包括正火、完全退火、等温退火、低温退火、高温回火和不完全退火等热处理工艺控制中的主要参数，如加热温度、冷却方式等。此时需要注意，不同材料进行不同处理时的冷却方式有较大的区别：有的材料需随炉冷至650℃以下出炉、有的材料需转入另一温度热处理炉内进行等温后再出炉第7空冷、有的材料则需按一定的速率缓冷至某一温度后再出炉空冷。最终热处理工艺参数数据库主要是指淬火、回火工艺控制中的主要参数，如淬火的加热温度、淬火以及回火的冷却方式等[5-6]。其中，淬火冷却方式需兼顾加热设备的影响和限制；回火冷却时还应兼顾回火脆性等因素的影响。化学热处理工艺参数数据库包括渗碳、碳氮共渗和渗氮工艺控制中的主要参数，其中渗碳工艺参数中还应包括渗碳后淬火和低温回火的参数、渗氮工艺参数中应包括一段法和二段法渗氮的工艺参数。航空用钢渗碳后的热处理工艺比较复杂，大部分航空用钢都需要进行淬火和低温回火处理，但有些情况还需引起特别注意[4]：（1）对于15CrA、20CrA、12CrNi3A、12Cr2Ni4A这四种材料，为了细化晶粒，可以采取一种“双重淬火”工艺，即连续进行两次淬火，再进行低温回火；（2）对于18CrNi4A这种材料，需要在820±10℃保温结束后，炉冷至780±10℃保持30min后，再进行油冷（油温为（40～60）℃）；（3）对于18Cr2Ni4WA这种材料，为了减少热处理制件变形或降低心部硬度，可以采取一种“复合等温淬火”工艺，即在855±15℃保温结束后，转入（200～250）℃的硝盐或碱浴中，保持（3～8）min后迅速转入（500～550）℃的硝盐槽或电炉中保持一定的时间，然后再进行油冷或空冷。此外，为了减少残余奥氏体的含量、提高渗层硬度，在渗碳、淬火后还可进行一次深冷处理，同时还能起到稳定制件尺寸和形状的作用[5-6]。3.4工艺装备图片库在生产过程中，制件在炽热状态下进行各种热处理操作时，需要使用各种各样的工装夹具。这种为满足生产要求、保证热处理质量和生产安全而使用的工装夹具及辅助装置统称为热处理工艺装备，简称热处理工装。因此，汇集航空热处理生产实践中积累的经验、结合各种特定的热处理工艺说明书，以及国内外相关的资料，建立一个热处理工艺装备图片库，并添加到热处理工艺资源库中是十分必要的。

4航空结构件热处理工艺资源库的特点及应用

综上所述，工艺资源库涵盖了航空结构件热处理工艺过程所涉及到的大部分数据，如材料牌号、热处理工艺类型、热处理质量检验与控制要求、航空材料硬度与强度换算、常规及化学热处理工艺参数、热处理辅助工道，以及热处理专用工艺装备等内容。总体上说，工艺资源库主要有以下几个特点及应用：（1）汇集近200种航空结构钢、航空不锈钢和耐热钢等材料的热处理数据，实现航空结构件热处理工艺资源的信息化管理。（2）为用户提供多方位录入、查询和更新工艺资源信息的功能。（3）涵盖了部分航空制造企业在热处理生产中取得的相关经验和数据，建立了丰富的工艺装备图片库。（4）以工艺资源库为基础，为航空结构件热处理CAPP系统的开发提供丰富的信息。

5结束语

材料热处理技术是当前航空装备制造业中的重要技术之一，在过去的几十年里，我国研制了大量的新型金属材料、引进并消化吸收了许多国外先进的热处理工艺技术和装备，实施了热处理的全面质量控制。目前，随着信息技术的不断发展，国内的部分研究机构已开始利用计算机信息处理和信息管理的优势、致力于热处理CAPP系统中关键技术的研究[7]。其中，热处理工艺资源库的建立又是一项艰巨、重要，而又颇具实用价值的工作，它可以充分利用网络资源，实现热处理工艺数据及相关资源的动态查询、更新和网络共享，不断提高航空产品的热处理质量和企业的经济效益。