高度数字化时代中感应热处理面临的挑战

电磁感应热处理技术正在加速发展，以应对新的挑战和瞬息万变的商业环境。零部件种类日益增多，而产品周期却不断缩短。在许多感应应用中，加热时间不到几秒钟，有些情况下甚至只有几分之一秒。  

商业热处理企业传统上用于评估感应热处理设备的因素包括技术能力、性能稳定性、交货时间、设备使用寿命和价格。随着近期行业趋势的发展，在决定采购热处理设备时，还需考虑其他因素，包括设备灵活性、零部件热处理质量的可追溯性、数字化连接能力，以及存储和调取工艺数据的能力。 

逐件加工能力、单个部件的可追溯性、自动化就绪性，以及工艺控制与监测的数字化，一直是感应热处理在第四次工业革命（工业4.0）背景下最具吸引力的特点之一。微处理器和微控制器技术的持续进步，催生了此前无法实现的先进控制/监测系统。  

然而，这种复杂性可能会大幅增加设备成本，从而阻碍“工业4.0”运营战略在某些方面的实施。例如，为了增强监测/控制能力和数字数据采集功能，在设备设计中加入所有可能的“花哨功能”，可能会导致价格远超买方愿意支付的范围。这就是现实。  

此外，必须对收集到的海量数据进行分析，以评估工艺变化对产品产生的影响，这既耗时又耗资。在某些情况下，采用较为简便的监测和控制技术，并配合适当的预防性维护和/或预测性维护方案，可能更为明智。因此，对于审慎的工程师而言，问题就不再是“能做什么？”，而是“需要做什么？”  

推进工业数字化进程的首要步骤之一，就是采用配备专用集成电路的数字电表，以取代过去广泛使用的模拟电表。在额定范围内使用时，数字电表能够准确测量电源输出的电气参数。 由于数字电表的响应时间对于快速的感应热处理工艺而言可能仍然过慢，一些制造商在同一表壳内同时配备了响应迅速的条形图和响应较慢的参数数值数字显示。不过，要进一步缩短数字电表和电路的响应时间，仍需开展更多工作。  

预计对工艺的实时特征监测需求仍将持续旺盛。该系统可验证关键设备参数，从而确保加工质量可靠。 现代热处理系统将控制、数据采集和特征监测整合于一体，采用配备人机界面（HMI）的计算机化前端，并结合PLC控制，从而兼顾两种技术的优势。许多制造商已开发出专有的数字监测电路解决方案，这不仅提高了精度，还最大限度地缩短了响应时间。 

根据大数定律，安装过多的传感器、检测器及相关设备/系统可能会对设备的运行时间和整体系统可靠性产生负面影响。因此，对于需要监测的热处理应用而言，确定必须监测的真正关键工艺参数的最小数量至关重要，这也是现代感应设备设计趋于整体化的原因。 人们一直在努力设计现代感应系统，使其既具备精密、坚固的结构，又采用简约的设计并尽可能减少组件数量，从而提高可靠性、紧凑性，并使操作和维护更加便捷。必须竭尽全力检测并防止有缺陷的零件进入装配环节。  

在高度数字化的当今世界，网络安全已变得至关重要，因为黑客攻击可能危及工艺配方、操作规程、验证及设备校准，以及数字数据采集。必须创建并存储电子记录，并采取措施防止其被篡改而未被察觉。这需要制定相应的计划并实施安全措施，从而产生额外成本，这对一些小型设备制造商而言可能构成挑战。 

过去，供应商通常会与某家客户签订长达数年的特定零部件合同。如今，合同在不同供应商之间的流转频率大大增加。因此，为了在竞争中赢得合同，供应商可能需要在短时间内评估新的感应加热设备以确保其能胜任该任务，采购并安装设备，完成生产零件批准流程（PPAP），并做好投产准备。 现代高品质、可靠的设备应能够轻松进行换模和重新编程，以加工不同的零件。创新型电源（例如 Inductoheat 的 IFP 技术）的开发，使其能够在加热周期内以预编程的数字化方式即时、独立地调节功率和频率，这标志着在提高设备灵活性以及优化热处理零件的冶金质量方面迈出了重要一步。 

在我们这个高度数字化的世界中，计算机数值建模能力的重要性无论怎么强调都不为过。一些商用软件包使用户能够开发高度专业化的专有应用软件（App），并将其集成到设备套件中。此类应用软件已成为现实，因为一些感应设备制造商已将其专有软件工具整合到了设备套件中。有充分迹象表明，这一趋势将持续发展。  

ASM热处理学会的研究与开发委员会目前正在制定《2030年热处理研发路线图》，该路线图将有助于确定并分类技术发展路径，以开发出经济高效、环保且具有全球竞争力的热处理技术和材料。 

瓦列里·鲁德涅夫，FASM，IFHTSE院士
Inductoheat公司科技总监 

下文提供了该文章的PDF版本，来源为ASM International。