圆锯片基体热处理生产过程评价指标体系与标准 井国超1， 鞠军伟2， 周琪1， 徐晓东1，

admin

圆锯片基体热处理生产过程评价指标体系与标准

井国超1 ，鞠军伟2 ，周 琪1，徐晓东1，王 清1，白硕玮1

（1. 青岛大学机电工程学院，山东 青岛 266071；2. 海恩超硬（山东）工具制造有限公司，山东 日照 276800）

摘 要：热处理作为制锯企业最重要的生产工艺环节，不仅对锯片产品的综合质量和使用性能起到关键性作用，还对企业的经济效益和环境友好性具有重要影响。开展热处理生产过程的清洁生产综合评价、提升与改造对制锯行业实现可持续发展具有重要意义。本文旨在构建一套面向圆锯片基体热处理过程的清洁生产综合评价指标系统。该评价指标系统一方面可为制锯企业进行热处理过程优化自诊断提供科学指导，另一方面可为主管部门开展清洁生产审核提供理论依据。

关键词：圆锯片基体；热处理；清洁生产；综合评价；指标体系；评价标准

[size=1em]圆锯片成品由圆锯片基体以及在基体上焊接的刀头组成。热处理是圆锯片基体最关键的生产环节[1]，其生产成本占比约70%，生产时间占比约75%，能耗占比80%以上。而圆锯片基体的热处理质量也会对后续工序产生巨大的影响。<p][size=1em]例如，热处理后锯片基体的几何精度将会影响后续铰孔、车外圆、表面磨削等机械加工工序的加工余量；热处理后锯片基体的残余应力分布情况将会影响磨削加工难度。此外，热处理工艺对圆锯片基体平面度、端跳等指标的控制，可以降低下料时钢板的厚度余量，对降低原材料成本，提高经济效益具有重要意义。因此，对基体热处理生产过程优化是圆锯片制造企业实现技术经济性协同提升的重要课题[2]。

[size=1em]另一方面，目前锯片基体热处理过程通常包含着油淬、盐浴等技术手段，导致生产车间伴生大量油烟、明火和毒性气体。在国家“双碳”规划和全球绿色经济浪潮的背景下[3]，锯片基体制造企业的环境友好性问题也受到越来越多的关注。在锯片基体制造行业推广热处理清洁生产技术和清洁生产审核制度，是提升锯片产品绿色属性、实现企业环保检查达标、打破国际绿色贸易壁垒的关键。

[size=1em]此前有关圆锯片基体热处理方面的研究主要集中于工艺对生产质量和生产效率的影响。孙继兵[4]提出在淬火前增加正火工艺可改善原材料带状组织偏析导致的圆锯片基体淬火变形问题。此外，采用压淬方式可控制淬火变形，从而稳定产品质量、提高生产效率。朱晓东[5] 通过实验研究确定圆锯片基体在830℃的淬火温度下可使片体硬度达到最优峰值。温度过低导致材料不能完全奥氏体化，过高又会导致奥氏体晶粒变大，从而使淬火后片体硬度降低。朱坚民[6]通过对圆锯片加热方式分析计算，提出可采用轴向加热代替径向加热方式以减小大直径锯片回火处理的变形量，同时得到更好的热应力分布。H. K. T onshoff[7]提出可通过激光表面热处理的方式使圆锯片获得得较好的残余应力，以提高片体工作时的稳定性。

[size=1em]目前，关于锯片基体热处理的研究多集中于片体质量、生产效率等方面，缺乏以实现清洁生产为目标的专门研究。本文旨在构建一套面向圆锯片基体热处理过程的清洁生产综合评价指标系统，包括具有层级结构的指标体系、指标数据获取方法以及指标的评判分级准则。评价指标系统的构建可以促进圆锯片基体制造行业实现清洁生产的内涵目标，即协同提升技术、经济、环境和社会效益[8]。其研究意义一方面为企业进行热处理过程自诊断提供科学指导，另一方面为主管部门开展清洁生产审核提供理论依据[9]。

2 圆锯片基体热处理过程清洁生产评价指标体系

[size=1em]研究多属性评价问题，首先要针对评价对象构建评价指标体系。对热处理技术装备的评价通常以生产率和单件成本作为判据。清洁生产是实现行业可持续发展的关键战略。在清洁生产的目标下，本文将从可持续发展的三个维度，即技术、经济和环境三个方面对圆锯片基体热处理过程进行评价。

[size=1em]目前，圆锯片基体制造行业内热处理方式并不统一，所生产的圆锯片规格种类繁多。不同的热处理方式，其工艺原理和技术装备也完全不同，生产过程涉及的辅助物料也不完全相同。因而圆锯片基体热处理生产线的技术、成本和环境影响等方面的性能难以在统一的范畴内进行比较。许多面向热处理生产线“本体”的评价指标（如生产时间、辅助时间、装备成本、物料消耗等）失去了区分不同方案的评价效力。

[size=1em]为了克服以上困难，本文基于全生命周期评价方法（Life cycle assessment，LCA）设计经济指标和环境影响指标。即基于LCA方法划定的系统边界对整个热处理生产系统进行投资成本、运维成本、资源消耗、环境污染等方面的研究[10]。在技术指标方面，本文将评价对象由“生产线”或“生产装备”的技术性能评价变迁为对圆锯片基体产品的生产质量评价。参考目前制锯行业热处理工艺技术装备和生产过程的特点、以及相关环境保护和管理的法规条例，本文构建了面向圆锯片基体热处理生产过程的清洁生产评价指标体系[11]，如图1所示。

[size=0.8em]图1 圆锯片基体热处理清洁生产综合评价指标体系

3 评价指标数据获取方法及等级分类标准

[size=1em]本节将对图2所示的清洁生产评价指标体系中全部指标的获取方法及等级分类标准进行研究和阐述。

3.1 产品质量

[size=1em]（1）硬度（Hardness，H）

[size=1em]硬度指材料抵抗机械压入或磨损引起的局部塑性变形的能力。可采用洛氏硬度计对热处理完成后的圆锯片基体硬度指标进行测定：在每个片体试样正反表面上分别均匀取6个点进行测量，得硬度值Hi（i=1，2......12），通过式（1）计算12个测定值的算术平均值作为该试样的最终硬度值。

[size=1em]（2）硬度均匀性（Hardness uniformity，HU）

[size=1em]硬度均匀性指圆锯片基体上各部位硬度值大小离散分布情况。将（1）中12个硬度指标数据用式（2）进行计算得该组数据的方差值，以该值大小来表征此片体的硬度均匀性。方差值越小，硬度均匀性越好。

[size=1em]（3）平面度（F latness，F）

[size=1em]平面度是将被测实际表面与理想平面进行比较得两者之间的直线距离。为保证测量精度，本研究设计了一种圆锯片基体平面度检测装置。系统由承载转台、激光位移传感器、信号放大器、信号采集仪和计算机组成。将圆锯片基体放置于承载转台后，转台由步进电机驱动转动。当转台镂空位置与传感器位置重合后，转台停止转动。此时激光位移传感器测量锯片的竖直方向位置量，并将信号传入计算机后进行运算获得平面度数值。

[size=1em]（4）同片厚度偏差（T hickness D eviation，T D）

[size=1em]同片厚度偏差指在同一张圆锯片基体上测量的最大与最小厚度的差值。采用H型数显测厚仪器对热处理完成后的圆锯片基体进行厚度测量：在圆锯片基体上均匀取12个点测量厚度，测量结果Ti（i=1，2.......12）中最大值与最小值之差即为该试样最终的同片厚度差值，如式（3）。

[size=1em]（5）残余应力（Residual Stress，RS）

[size=1em]残余应力指在消除外力或不均匀的温度场等作用力后仍留在物体内自相平衡的内应力。利用应力检测机对圆锯片基体残余应力检测。应力分为拉应力与压应力，分别用正负符号表示。沿圆锯片半径方向均匀取12个点进行测量，测量残余应力值R S i（i=1，2......12），取算术平均值作为该试样的最终残余应力值，如式（4）。

[size=1em]（6）应力均匀性（Stress uniformity，SU）

[size=1em]应力均匀性指圆锯片基体圆周应力分布状况与基准圆的差距。沿半径方向分别取6个不同半径圆周进行应力测试，用每个圆周测量的最大与最小应力差值来表示应力分布均匀性。用式（5）计算得差值越小，应力分布越均匀。

[size=1em]不同规格直径圆锯片基体的质量要求等级不同，本文以直径600mm的65M n金刚石圆锯片基体为例。参考《金刚石圆锯片基体》（G B/Z 41313-2022）[12] 标准文件，将以上六个反映产品质量的指标按以下标准分为三个等级，如表1所示。

[size=0.8em]表1 圆锯片基体热处理线质量指标要求

3.2 经济成本

[size=1em]热处理装备及生产线的建设，是制锯企业最关键的投资项目。具体经济指标如下。

[size=1em]（1）投资成本（Investment C ost，IC）

[size=1em]投资成本IC指企业投建热处理生产线时需要投入的资金成本，包括设备采购、安装、场地建设等费用。可直接通过查阅热处理企业财务部门所有投资单据叠加获得。

[size=1em]（2）年化成本（T otal Annual C ost，T AC）

[size=1em]年化投资成本T AC是一个从财务管理角度分析在热处理生产线服役期内每年的资金投入情况的指标。年化成本通过式（6）进行计算。

[size=1em]其中C0表示投资成本IC折算到每年的成本，r为年化折现率，n表示热处理生产线预计的服役时间，OMC表示运行与维护费用。

[size=1em]（3）年化节约成本（Net Annual C ost，NAC）

[size=1em]年化节约成本NAC是指在完成相同生产目标的前提下，与企业过去应用的热处理工艺方案（或行业中典型的热处理生产工艺方案）相比，新建的热处理生产线在其服役期内，每年可以节约的成本额。通过式（7）和式（8）进行年化节约成本的计算。

[size=1em]其中AC表示年化运营节约的成本，R表示运营过程投入资源的总数，R Ci0表示采用企业过去应用的热处理工艺方案（或行业中典型的热处理生产工艺方案）时第i类资源的年消耗量，R Ci表示采用新建热处理生产线第i类资源的年消耗量，M Pi表示第i类资源的单价。

[size=1em]（4）回收周期（Payback T ime，PT）

[size=1em]投资回收周期P T是使新建热处理生产线累计的经济效益等于最初的投资费IC用所需的时间,通过式（9）计算。

[size=1em]其中N表示年计算生产纲领，S表示圆锯片基体热处理完成后的销售价格，C表示圆锯片基体热处理过程的制造成本。

[size=1em]参考叶亚飞[13]对项目评价的基本步骤和刘君[14]对模具材料生产线的生产线财务评价分析研究，将以上四个反映经济成本属性的指标按以下标准分为三个等级，如表2所示。

[size=0.8em]表2 圆锯片基体热处理线经济指标要求

3.3 环境影响

[size=1em]环境影响评价是清洁生产综合评价问题中的关键内容。为了实现对不同生产工艺方式的圆锯片基体热处理过程进行科学、客观、全面的环境友好性评价，本文从欧盟委员会基于LCA数据系统参考手册中确定的钢板类型产品评价指标中筛选了7个指标作为圆锯片基体热处理过程环境评价指标[15]，并基于LCA方法划定的系统边界内对圆锯片基体热处理过程进行环境评价。

[size=0.8em]图6 圆锯片基体热处理工艺LCA环境评价流程图

[size=1em]基于《绿色制造 机械产品生命周期评价 细则》[16]和《环境管理.生命周期评估.生命周期影响评价》[17]标准文件，参考王腊芳[18]对钢铁生产过程环境影响的生命周期评价方法，将七个环境指标按以下标准分为3个等级，如表3所示。

[size=0.8em]表3 圆锯片基体热处理线环境指标要求

4 结束语

[size=1em]圆锯片基体热处理工序是制锯行业最关键的生产过程，对产品质量技术水平、企业经济效益和环境友好性具有重要影响。开展热处理生产过程的清洁生产综合评价、提升与改造对制锯行业实现可持续发展具有重要意义。本文面向圆锯片基体热处理过程构建了清洁生产综合评价指标系统：首先，构建了具有层级结构的评价指标体系；其次，阐明了各评价指标的数据获取方法，包括质量技术指标数据测量试验设计、财务成本复合指标设计、环境影响指标LCA计算流程图等；此外，确定了各指标分级评定的阈值，构建了全部指标的标准体系。该评价指标系统既可为制锯企业进行热处理过程优化自诊断提供科学指导，也可以为主管部门开展清洁生产审核提供理论依据。

[size=1em]参考文献

[size=1em][1] Anonymous. H eat T reating: Past, Present and Future[J]. Industrial H eating,2021,89（2）.

[size=1em][2] Z higang D an, Xiuling Y u, Jie Y in, Y anying B ai, D anna S ong,Ning D uan. An analysis of the original driving forces behind the promotion of compulsory cleaner production assessment in key enterprises of C hina[J]. Journal of C leaner.

[size=1em][4] 汪彬,阳镇,陈洋毅,李佳杰,陈劲.绿色经济效率影响机制[J].上海经济研究,2022（06）:62-77.

[size=1em][5] 孙继兵,李国彬,李桂云,武建军.65M n钢圆锯片基体的热处理[J].金属热处理,1999（11）:17-19.

[size=1em][6] 朱晓东.淬火加热温度对65M n硬度的影响[J].成都大学学报（自然科学版）,2012,31（03）:274-275+283

[size=1em][7] 朱坚民,毛得吉,李海伟,黄之文.65M n钢圆锯片回火过程的有限元模拟及加热方法改进[J].机械科学与技术,2013,32（11）:1566-1573.

[size=1em][8] Tönshoff, H.K., R osenthal, A.R. Laser S urface H eat T reatment U sed for Induction of R esidual S tresses into C ircular S aw B lades for B etter W orking B ehaviour.In: M eguid, S.A. （eds）S urface Engineering. S pringer, D ordrecht. 1990:209-302.

[size=1em][8] 周浩明.基于“全生命周期评价”的可持续设计思路与方法[J].工业工程设计,2020,2（03）:25-34.

[size=1em][9] Y ing Li, Xueying Z hang, Y ue Z hang, Laiyuan Lai, C hao C hen.R esearch on C onstruction and Evaluation M ethod of C omprehensive Evaluation Index S ystem for Investment B enefit of D istribution Network[J]. E3S W eb of C onferences,2021,257.

[size=1em][10] 清洁生产评价指标体系编制通则（试行稿）[J].设备管理与维修,2013（09）:74-76.

[size=1em][11] Z hang H uanjing. C onstruction and Application of Low-C arbon Audit Evaluation Index System B ased on Low-C arbon Economy[J].M odern Economy,2020,11（12）.

[size=1em][12] G B/Z 41313-2022, 金刚石圆锯片基体[S].

[size=1em][13] 叶亚飞.试论项目财务评价在投资决策中的作用[J].商场现代化,2006（33）:164-166.

[size=1em][14] 刘君,蒋娜,李清兰.企业投资新建年产5000吨模具材料生产线财务评价分析研究[J].财会学习,2020（01）:228-230.

[size=1em][15] European C ommission.C ommission recommendation on the use of common methods to measure and communicate the life cycle environmental performance of products and organizations （2013/179/EU）[Z]B russel:2013.

[size=1em][16] G B/T 32813-2016, 绿色制造 机械产品生命周期评价细则[S].

[size=1em][17] AS T M IS O 14042-2000, 环境管理.生命周期评估.生命周期影响评价[S].

[size=1em][18] 王腊芳,张莉沙.钢铁生产过程环境影响的全生命周期评价[J].中国人口·资源与环境,2012,22（S 2）:239-244.