汽車金屬材料熱加工中的問題與解決方案研究

韓燕莉

摘要：汽車金屬材料經(jīng)熱加工后的材料性能及穩(wěn)定性均有提升，熱加工的好壞直接影響汽車整車的性能優(yōu)劣，故針對汽車金屬材料熱加工工藝及在加工過程中出現(xiàn)的問題與應對策略的研究至關重要。汽車金屬材料在熱加工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)變形、開裂等問題，造成使用性能降低。提出智能高精度溫度控制器設計是解決大變形問題的有效技術措施，合適的冷卻方法，精準的冷卻溫度是解決開裂等問題的關鍵工藝與技術條件。提出可采用先進的微控制器、大量程熱電偶傳感器、多任務并行處理機制等進行溫度控制器的設計。

Abstract： The material performance and stability of automotive metal materials after thermal processing are improved. The quality of thermal processing directly affects the performance of the entire vehicle. Therefore， the thermal processing technology of automotive metal materials and the problems that occur during the processing Research on coping strategies is crucial. Automotive metal materials often have problems such as deformation and cracking during the hot working process， resulting in reduced performance. It is proposed that the design of an intelligent high-precision temperature controller is an effective technical measure to solve the problem of large deformation， and an appropriate cooling method and precise cooling temperature are the key process and technical conditions for solving problems such as cracking. It is proposed that an advanced microcontroller， a large-range thermocouple sensor， and a multi-task parallel processing mechanism can be used to design the temperature controller.

關鍵詞：汽車;金屬材料;熱加工;控制器

Key words： automobile;metal material;thermal processing;controller

0? 引言

汽車金屬材料的加工性能將直接影響汽車整車的使用性能。汽車金屬材料的熱加工工藝與其他金屬材料熱加工工藝有許多相同之處，有時則可通過通用的熱加工工藝進行汽車金屬材料的熱加工。金屬材料熱加工是制造業(yè)中常見的加工手段[1，2]，我國一些老工業(yè)區(qū)都配備了大型數(shù)十噸級的熱處理加工設備，這也體現(xiàn)一個國家制造業(yè)的發(fā)展水平，同時要保證機械產(chǎn)品的質量，就必須對結構中的金屬材料進行熱處理加工。熱處理工藝通過對金屬材料進行多重淬煉，使得材料中的網(wǎng)狀碳化物等大大降低，同時細化材料顆粒，消除內(nèi)應力，提升材料的強度和剛度[3，4]。在工程生產(chǎn)中可以根據(jù)實際情況，對材料進行再塑型，延長材料使用壽命。目前，工控領域使用了許多種溫度控制器件，其關鍵核心技術一般包括三種，一種是依賴于高速的數(shù)字信號處理器，其次是具有大量程的熱電偶傳感單元，最后是要有多任務并行處理的能力。市場上的大部分溫度控制器均兼具前兩種特點，但其多任務處理能力往往沒有集成，這就造成控制器的可擴展功能大大下降，一些質量要求較高的程序無法充分發(fā)揮性能。

本文針對汽車金屬材料熱加工工藝中可能出現(xiàn)的變形、開裂等問題進行了探討，提出溫度是其加工過程中的關鍵控制變量，可通過智能高精度的溫度控制器設計有效解決出現(xiàn)的問題，并提出先進的微控制器、大量程熱電偶傳感器、多任務并行處理機制等是控制器的設計關鍵。

1? 汽車金屬熱加工問題與影響因素

1.1 變形開裂的原因分析

金屬材料的尺寸與形狀的改變即變形，而若變形量過大時則會產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，如圖 1所示。出現(xiàn)變形和開裂現(xiàn)象的主要原因材料的內(nèi)部應力，包括熱處理應力與組織應力，變形和開裂問題一旦出現(xiàn)，往往是不可逆轉的。

熱處理過程中，金屬材料本身的溫度會有變化，會對其內(nèi)部結構產(chǎn)生影響，且熱加工的次數(shù)越多，材料就越有可能產(chǎn)生變形。材料的熱處理包括冷卻和加熱兩種處理方式，熱處理應力是指在熱處理時，因熱脹冷縮而使材料的體積發(fā)生變化。故，材料在進行加熱與冷卻過程中，如果工件處于淬火溫度時，其塑性提升，屈服強度有所降低，當內(nèi)應力大于屈服強度時，則出現(xiàn)塑性變形問題。

金屬材料在淬火前有其原始組織，主要表現(xiàn)為碳化物數(shù)量、鍛造纖維方向、合金元素偏析等[5]。材料的組織應力的切向應力較軸向應力大，且與材料的表層較為接近。材料表面主要受拉應力作用，內(nèi)部主要受壓應力作用。熱處理操作時會受到熱應力和組織應力的共同作用，因此極有可能產(chǎn)生變形和開裂現(xiàn)象。在熱處理過程中，金屬材料除會受到組織應力影響外，材料的介質、冷卻速度等均會對工件的形狀產(chǎn)生影響。

1.2 可采取的措施

在金屬材料熱加工中一般應采取科學性和適用性兩大原則。其中科學性是指工藝師要有科學的精神、科學的手段、科學的理念，保證熱加工中控制變形和開裂在合理范圍以內(nèi);適用性是指考慮可持續(xù)發(fā)展問題，高效地利用資源，既要保證產(chǎn)品質量，又要綠色健康發(fā)展。

淬火金屬熱加工的關鍵技術，在淬火加工過程中，若把握不好溫度控制問題，就會造成材料的內(nèi)應力變形等缺陷，所以工藝師必須把握好淬火這一關鍵步驟。淬火時，要合理利用淬火介質，并隨著經(jīng)驗的積累創(chuàng)造出新的工藝方法，以在根本上解決變形和開裂問題。目前，熱加工的常用淬火方法包括單液淬火法、雙液淬火法、分級淬火法。單液淬火法易于操作，但冷卻速度較難控制，易產(chǎn)生變形和開裂缺陷;雙液淬火法首先采用冷卻速度較高的介質，當溫度到達一定范圍時，再采用冷卻速度慢的介質;分級淬火法將金屬材料置于溫度稍高于馬氏體轉化反應起始溫度的硝鹽浴或堿浴中，常應用于刀具、模具等尺寸較小、精度要求高的工件中。冷卻過程是金屬材料熱加工的又一關鍵步驟，在冷卻環(huán)節(jié)要科學地執(zhí)行冷卻流程，把握好冷卻速度，保證工件質量。

綜上分析可知，導致汽車金屬材料變形和開裂的主要原因就是熱處理應力與組織應力，而在熱處理的工藝流程中，溫度變量是影響熱處理應力與組織應力的關鍵變量，無論是加熱過程還是淬火等冷卻過程均與溫度產(chǎn)生密切聯(lián)系，所以從科學性和適用性兩方面考量，研制智能高精度的熱處理溫度控制器是解決變化和開裂問題的重要手段。

2? 高精度溫度控制器設計策略

溫度控制器應包括以下三個關鍵元器件及技術：高速微處理器、大量程的熱電偶傳感器、多任務并行處理機制，其組織結構如圖 2所示。其中熱電偶傳感器為溫度傳感單元，微控制器需集成有通用外部接口GPIO，可采用GPIO進行總線的模擬實現(xiàn)，或者通過在微處理器上集成總線接口，如IIC、SPI、USART、USB、FSMC等常用總線接口，同時在處理器中移植操作系統(tǒng)，以及文件系統(tǒng)，方便文件的讀寫操作。繼電器開關組件為執(zhí)行器的終端設備，該組件對執(zhí)行器進行控制，如對火勢大小、加熱電流大小等進行控制。

目前市場中的常見微處理器包括51單片機、STC單片機、STM32高性能為處理器、DSP數(shù)字信號處理器、PLC可編程邏輯控制器等。其中，51單片機兼容了英特爾8031指令系統(tǒng)，演變出許多類型系列，如ATMEL 51與52單片機，STC 51與52單片機等。其中ATMEL公司的AT89C與AT89S系列已廣泛應用于工控中。51單片機是一種入門級單片機，其編程方法與設計難度均不高，適合一些高職院校學生學習;STM32和DSP以其體積小巧，工作頻率高，處理速度快等特點，已廣泛應用于嵌入式微處理系統(tǒng)中。目前，市場上應用STM32的場合越來越多，如工業(yè)測量系統(tǒng)、中小功率電動車充電樁、恒溫控制系統(tǒng)等，結合多種智能控制算法，可設計出許多專門用途的控制系統(tǒng)。DSP作為具有強大數(shù)字信號處理能力的芯片，在工業(yè)自動化、伺服驅動、圖像處理、數(shù)字信號處理等應用中被廣泛使用，在數(shù)控機床的交流伺服驅動器中，其控制核心也是DSP，一般來說無論STM32還是DSP，其標準工作電壓不高，很難直接驅動工控中的某些器件，所以還需要一些電壓較高的電源，通過開關閥的控制方式控制高電壓電源通斷。PLC以微處理器為基礎，通過增加抗感繞等器件，封裝為一體，以其強大的抗干擾能力被廣泛應用于工業(yè)控制領域，但PLC的體積較大，需要專門的控制柜進行組裝。在熱處理工藝中，由于溫度較高，所以普通的溫度傳感器無法勝任工作，通常要選擇更耐高溫的熱電偶作為溫度傳感器單元，如K型熱電偶[6]的測量量程為0～1024℃，可與微處理器進行連接，進行溫度測量。多任務并行處理機制依賴于操作系統(tǒng)，如Windows、Linux、UCOS等操作系統(tǒng)，其中UCOS系統(tǒng)可方便地移植到微處理中共，得到了廣泛應用。Linux系統(tǒng)常應用于嵌入式系統(tǒng)中，可與觸摸屏等進行組合設計，以設計友好的人機界面，使得控制功能更加強大。

3? 結束語

金屬材料熱加工是制造業(yè)中常見的加工手段。汽車金屬材料熱加工與通用金屬材料熱加工有許多相同之處。文章分析了熱加工中可能出現(xiàn)的變形和開裂問題及其成因與解決策略。針對其中關鍵控制變量溫度，進行了高精度溫度控制器的設計策略論述，提出高速微處理器、大量程熱電偶傳感器和多任務并行處理機制是實現(xiàn)控制器的關鍵元器件及技術。

參考文獻：

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[3]張泉.金屬材料熱處理節(jié)能新技術和應用[J].科技經(jīng)濟導刊，2019，27（34）：67.

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[6]王子權，周小超，林華.輪轉調(diào)度通用實時熱電偶測溫序列設計[J].儀表技術與傳感器，2019（09）：23-27.