热处理专家系统及性能预报

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1．技术内容及技术关键  
专家系统作为一项崭新的技术。还处在不断发展时期，因此，专家系统的结构也没有一个固定不变的模式。根据现有的发展状况，一般认为，专家系统的核心主要包括知识表示和推理机制两个方面，具体到热处理专家系统也不例外。  
由于材料和热处理领域的特殊性，热处理专家系统有其自身特点。在知识表示方面，热处理使用的常规数据，包括材料牌号、零件及产品名称、工件类型及尺寸、工艺规范、化学成分、抗拉强度、冲击韧度、硬度、淬透性、相变动力学数据等，一般以数值形式表示，所以热处理专家系统通常采用关系型数据库系统保存知识，利用数据库技术实现数据的管理和控制。在此基础上，插入热处理领域知识和热处理专家知识，实现专家系统的知识表示。  
在推理和决策方面，以经验和理论公式的计算为主要线索，辅以逻辑推理，实现决策功能。在决策过程中，根据用户输人的数据和已知的事实得到中间结果这一环节是至关重要的，也是整个系统的“心脏”。在热处理专家系统中，这一部分称为数据导出系统。综观目前的热处理专家系统，其数据导出机制不外乎以下两种方式，一种是以相变动力学计算为基础，这方面比较典型的有STAMP系统和PPS系统。另一种是以伴透性计算为基础，这方面比较典型的有AC3系统和SSH系统。以下对数据导出系统作进一步的介绍。  
以相变动力学计算为基础的专家系统，其数据导出系统所使用的基础方程有三个：  
l）热传导微分方程。使用二维瞬态热传导方程，其形式如下：  


这里，t代表时间，T表示温度，r是位置坐标，qv是相变潜热，ρ是密度，cp代表比热容，λ代表热导率，对平板β＝0，对圆柱β＝1。  
在具体计算时，针对平板和圆柱类等简单形状，采用差分数值方法近似求解。  
2）转变动力学微分方程组。计算组织转变量，一般采用Avrami方程，这里给出Avrami方程的一种变化形式  


式中，y表示转变量，K，b1，b2，b3是与温度、成分和晶粒度有关的参数。  
3）描述组织和性能关系的方程组。采用广义线性混合率计算性能，即：钢的某种性能Pj是各组成相性能的积分和  


式中，x[T（r，t），Yj]为权重函数，Yj为组成相的体积分数。  
以淬透性计算为基础的专家系统，其数据导出系统所使用的基础方程如下：  
1）淬透性计算。含硼钢和非硼钢的淬透性计算公式是不一样的。  
对非硼钢 Di＝AF×CF （4）  
对含硼钢 Di＝AF×CF×F （5）  
式中，Di为理想临界直径，AF为合金乘子，即除碳和硼外的其他合金元素的乘子的乘积；CF为碳及晶粒度的乘子，BF为硼元素的乘子。其中  
AF＝fMnfSifNifCrfMofCufV （6）  
这里，fMn为锰元素的乘子，fSi为锰元素的乘子，其余类同。  
2）组织转变计算。首先根据下述公式据钢的化学成分和臭氏体化参数计技各种组织的临界冷速Vci。  
υci＝g(Pα,C,Si,Mn,…) （7）  
式中，υci为获得各种组织的临界冷邀，i＝1对应获得马氏体的体积分数100％的临界冷速，i＝2对应获得马氏体的体积分数90％+贝氏体的体积分数10％的临界冷速，等等；Pα为奥氏体化参数，C为碳的质量分数，Si为硅的质量分数，余同。  
由工件的实际冷速υ计算各种组织的体积分数。如υci＜υ＜υci+1，则  
fM=AM/(υci+1-υci)(υ-υci)+BM  
fB=AB/(υci+1-υci)(υ-υci)+BB (8)  
fFP=AP/(υci+1-υci)(υ-υci)+BP  

式中，fM、fB、fFP分别是马氏体、贝氏体和铁素体-珠光体的体积分数，AM，AB，AP，BM，BB，BP是与临界冷速有关的常数。  
3）描述组织和性能关系的方程组。采用线性混合率计算性能，即，钢的某种性能Pj是各组成相性能的加权平均  


式中，PjM是马氏体的性能，PjB是贝氏体的性能，PjFP是铁素体-珠光体的性能。  
需要指出的是，以相变动力学计算为基础的专家系统和以淬透性计算为基础的专家系统并不是截然不同的，在技术上很多方面互相渗透，功能也是类似的。  
以数据导出系统作为核心的专家系统，其功能包括下列一些方面：  
1）组织和性能预测。根据钢的化学成分和热处理参数计算预测工件热处理后的组织和性能。  
2）工艺过程变更分析及优化。分析工艺参数变化对热处理结果的影响，进而进行热处理缺陷分析和对工艺参数进行优化。  
3）热处理工艺辅助设计。利用专家系统的决策功能进行热处理工艺计算机辅助设计。  
4）过程的在线实时监控。渗碳过程的多时碳势控制，优化控制渗层深度和碳浓度分布。  
5）根据零件几何尺寸和性能要求选择材料。为待热处理的工件选择适当的牌号，该牌号的淬透性足以保证在给定条件下淬火时，工件截面上指定点处的性能满足使用要求。  
下面以一个例子来说明专家系统的功能。假定工程上要为45mm直径的国轴选择最优的钢材。出于生产考虑，使用淬火油（流速lm/s，淬火烈度H＝0.4cm-l）作为冷却介质。工件经调质处理，为使工件具有较好的疲劳性能，在工件截面3/4半径处回火后的硬度要求为35HRC。将上述目标和约束条件输入后，系统首先经计算将约束条件（工件截面3/4半径处回火硬度35HRC）进行变换，最后确定此要求等价于在端淬试样上距水冷端11mm处的硬度为45.3HRC。以此作为约束条件进行决策搜索，初步得到 GB 40CrNi，GB 4OMnVB，GB 42CrMo三个牌号的钢种。进一步比较三个钢种的淬透性带，系统确定GB 42CrMo能够很好满足上述的设计要求。  
除北京机电研究所的SSH结构钢淬造性选材和工艺优化系统外，国内一些大学和工厂也进行了不少有关热处理专家系统方面的研究和开发工作。例如，上海交通大学研制的渗碳过程控制系统，以描述渗碳过程的数学模型为知识表示方式，以计算机计算结果作为判断的依据，实现了渗层浓度分布和硬度分布的预测；并提出一种新的碳势控制方法，使整个工艺过程始终保持在最优化状态。北京航空航天大学开发了航空材料热处理工艺辅助决策系统，将零件CAD与热处理理论相结合，以材料、工艺和标准数据库作为知识表示，以此为基础进行推理和决策，实现工艺流程制定和专业知识咨询。此外，一些工厂也在进行计算机辅助热处理工艺的研究与开发工作，包括工艺卡片的生成与管理、特殊零件的热处理工艺制定等。  
2．优缺点及使用范围  
目前，专家系统在工业生产上获得了实际应用。例如有的汽车公司，在生产上广泛使用热处理专家系统进行工艺分析和制定、现有的生产周期优化、辅助材料选择、构件设计等工作，取得了良好效果、渗碳过程在线控制系统在我国的很多工厂也得到使用。可以说，专家系统技术已得到工程技术人员的普遍认可。热处理专家系统对于降低生产成本，缩短生产周期，提高产品质量有着重要的作用，在这一点已达成共识。  
不过，同时也应该看到，专家系统在设计和工业部门的使用率还不是很高。这有两方面的原因，一方面需要加强推进专家系统的使用方面的工作；另一方面，需要发展新的和更优的方法以使专家系统能更直接和更有效帮助完成工艺设计等任务。  
在技术上，目前的热处理专家系统以统计数据和经验知识为基础，其结果的精度和可靠性需要进一步提高。从使用上看，专家系统应用于工业过程和设计工作时，还在不同程度上包含传统的试错法（Tral-and-Egror）的成分。另外，对于工业生产上关于国民经济发展的重大关键件，以及工业上大量使用的基础件，热处理过程产生的内应力和残余变形不仅影响性能和质量，而且影响后续的装配精度和加工成本，而在目前的热处理专家系统中，尚没有考虑这一因素，这不能说不是目前的专家系统的一个缺憾。  
目前，热处理专家系统主要应用于碳钢和低合金钢的热处理过程和相关的设计活动中，所以需要拓宽专家系统的应用范围。此外，目前的专家系统的决策过程需要大量人工干预，在决策结果处理和人机界面方面还需要进一步的工作，以使专家系统更方便工程技术人员使用。