在人类文明社会起始之时，就认识到制造技 术、制造工艺的地位和作用。劳动创造世界，制造 技术、制造工艺从来就是生产力的活跃内涵，是工 程技术物化过程中最积极的因素，是科研成果转化 为商品的桥梁。称重传感器技术与产品也不例外， 从20 世纪40 年代问世至今，完全是以制造工艺为基 础，并倚赖于制造工艺而发展起来的。尽管称重传 感器弹性元件因利用的应力不同有各种结构形式， 但其制造工艺基本相同。在称重传感器研制与发展 过程中，世界上处于市场引导者地位的称重传感器 制造企业，通过分析、研究，几乎均不约而同地将 称重传感器发展重心转移到制造工艺研究与应用领 域，有许多新认识、新体会，创造和应用了一些有 成效的新工艺及其新型工艺装备。其中以美国BLH 公司研究实施的称重传感器灵敏度温度补偿技术与 工艺；美国VISHAY 公司研究实施的利用半导体应 变计对称重传感器进行线性补偿的技术与工艺（美 国 专 利No3．034346 号）； 德 国PHILIPS 公 司 研 究 实施的利用镍箔应变计对称重传感器进行线性补偿 同时兼顾灵敏度温度补偿的技术与工艺；法国专利 No1204850 利用非线性的盘状膜片进行线性补偿同 时兼作横向力补偿技术与工艺最具代表性。在世界 各国，称重传感器制造企业均取得了很好的应用效 果。这些称重传感器制造企业的体会是：称重传感 器制造工艺绝对不是一些人观念中的“作坊手艺”， 而是一个集机械、电子、信息、材料和管理为一体 的综合技术。再加上人工智能技术、现代管理技术 的纳入和推动，制造工艺的概念及内涵不断扩展， 由狭义到广义、由局部到整体、由单项到系统，使 传统的称重传感器制造工艺与现代数字智能制造工 艺技术相结合，技术与管理相结合，形成新型的现 代制造工艺系统。上述认识越来越被国内称重传感 器制造企业所接受，制造工艺的发展与应用，越来越被从事称重传感器研究生产的技术人员所重视和 关注。 众所周知，称重传感器在研制、生产过程中有 四大关键问题，即结构、材料、工艺、检测。其中 制造工艺及其工艺装备对称重传感器的准确度、稳 定性和可靠性影响极大。科学合理的选择和集成行 之有效的制造工艺，称重传感器技术水平和产品质 量才能不断提高。反之，称重传感器技术与应用水 平的提高，又促进制造工艺的创新发展。因此，制 造工艺与称重传感器技术是相辅相成的促进与带动 关系，制造工艺是称重传感器制造企业强化竞争能 力、提高经济效益的重要手段。哪个企业重视制造 工艺的研究与应用，哪个企业就受益多、进步快。 称重传感器制造企业要在当今激烈而近乎残酷的市 场竞争中能生存、发展并取得经济效益，必须依靠 产品品种多样、质量精良、成本低廉和交货及时才 能占领市场。这些综合优势的取得主要的手段是靠 产品开发，科学合理的选用制造工艺并不断地加以 改进和创新。德国衡器工业以制造高、精、尖技术 产品而享誉世界衡器市场，在称重科技领域具有很 高的专业技术水平。特别是在称重传感器研究、制 造、应用上，有一批诸如HBM 电子测量技术有限公 司、巴鲁夫传感器有限公司等称重传感器方面的制 造专家，能制造出稳定性、可靠性具佳的高准确度 产品，就是以先进的制造技术和制造工艺为基础。 德国工程物理研究院高级顾问曼弗雷德·科赫西科博 士认为，这要归功于德国衡器制造业日益增强的技 术与工艺革新能力和永不满足的创新精神。正如国 际制造专业专家的评价：“如果产品开发要花十倍努 力的话，那么批量生产技术的开发就要花百倍的努 力。”美国、欧洲一些工业发达国家的称重传感器 制造企业，正是他们在开发批量生产技术中用了百 倍的努力，才在国际称重传感器技术和市场竞争中 处于引导者地位，并保持至今。 在我国，称重传感器制造工艺在研制生产中的 重要作用往往不被人们所认识，未能给予足够的重 视。有些企业称重传感器产品设计迁就工艺，工艺 设计迁就设备，这是长期以来称重传感器技术与 制造工艺滞后的根本原因，是不重视技术改造的后 果。其原因是制造工艺本身的研究工作比较艰辛， 需要一定的试验设备，并要反复地进行制造工艺方 面的试验，积累多年的实践经验，辛勤专研若干年 后才能攻克某些技术与工艺难关。因此，难以在较 短时期内出成果、出人才、出效益。但是，称重传 感器的质量和成本都与制造工艺密切相关，企业必 须重视它。就称重传感器产品而言，轻视制造工艺 技术就是放松产品质量，只有重视并抓好工艺技 术，才能将大量隐患消灭在萌芽状态，抓产品质量 无可厚非，不抓制造工艺永无宁日。美国为克服一 些企业经营战略思想适应市场变化慢、设计的产品 可制造性差、开发周期较长、忽视不断改进产品性 能和提高制造工艺水平等问题，提出设计和工艺要 平行作业、联合工作，开展“同时工程”（Concurrent Engineering），确定了同时、制约、协调、一致四原 则。即在相同的时间框架内设计与工艺进行平行作 业，不同程度地缩短了产品开发周期。当然，在目 前CAD/CAM/CAE 技术和三维数字设计与制造技术迅 速发展和广泛应用的条件下，“同时工程”又有了新 的内涵，它可以通过网络把CAD/CAM/CAE 和数据库 连接起来，或采用三维数字设计技术共享信息和资 源，在计算机屏幕上进行结合，在相同的时间框架 内进行平行作业，分析各种制约条件，紧密协调选 取在成本、质量、交货周期等要求上的最佳结合。 这样将制造工艺的条件作为称重传感器产品设计的 制约条件考虑，工作效率更高。在当前称重传感器 技术与产品竞争日趋激烈，称重传感器市场日趋国 际化的情况下，制造工艺正起着更为重要的作用。 称重传感器制造工艺流程是，从电阻应变计、 弹性元件准备开始，到全部制造工序完成为止。其 中选择比较理想的弹性元件金属材料，消除弹性元件在锻造、机械加工、热处理等冷热加工中产生的 残余应力；选择电阻应变计、应变胶粘剂，应具有最 佳工作特性和与弹性元件最好的匹配性；可重复的精 密而科学的生产工艺流程；高精确度的试验、检测装 备；有效的质量控制程序，即利用可跟踪的测量设备 来控制和保障制造工艺流程的稳定至关重要。在称 重传感器制造工艺流程中，处于国际市场引导者地 位的称重传感器制造企业，不惜制造成本，特别重 视弹性元件准备工艺，这一理念值得我国称重传感 器制造企业借鉴。2.1 弹性元件锻造、机械加工和热处理工艺机理分析 称重传感器弹性元件使用的钢材种类较多，但 主要是以综合机械性能优良的高强度中碳合金结构 钢为主，马氏体沉淀硬化不锈钢为辅。中碳合金 结构钢以美国的AISI 4340，德国的30CrNi8，英国 的En26， 俄 罗 斯 的 35XгCA 和 我 国 的40CrNiMoA （GB3077 － 1999）最具有代表性。沉淀硬化不锈钢 以美国的17-4PH、15-5PH, 英国的630/631，日本的 SUS630 和我国的0Cr17Ni4Cu4Nb 应用较多。其中我 国的40CrNiMoA 钢在适当的工艺制度下具有较高的强 度、塑韧性和淬透性，得到普遍的应用。 称重传感器弹性元件的冷热加工工艺，应对残 余应力进行严格控制和测试，特别要对弹性元件应 变区精加工带来的表面残余应力利用X 光衍射仪进行 测试，以达到控制和减少应变区表面残余应力的目 的。 中、大型称重传感器弹性元件必须经过锻造工 艺处理，使毛坯反复锻钹，以砸碎粗大的晶粒，使 其细化均匀、组织致密。同时要求毛坯的金属纤维 方向与弹性元件受力方向一致，不允许有交叉、重 叠等现象，这是提高称重传感器准确度和稳定性最 重要的环节。因此在锻造过程中尽量做到只伸展、 不镦粗，并防止过烧与粗晶。弹性元件锻造后必须 进行退火处理，使其金相组织为：珠光体+ 铁素体+ 碳化物。 对称重传感器弹性元件进行机械加工时，无论 采用刨、铣、车、磨之中的哪一种制造技术或者是 先进的加工中心，都会在弹性元件上产生残余应 力。这主要是在切削过程中，切削方向产生压缩变 形，而垂直于已加工表面方向产生拉伸塑变（塑性 凸出效应）导致表面产生残余拉应力。此外，刀具 接触点的挤光效应和切削时的热效应也分别产生残 余压应力和残余拉应力。因此，机械加工产生的残 余应力是刀具接触点前方区域的塑性凸出效应、刀 具接触点下方区的挤光效应和切削时的热效应等影 响的叠加。为了使弹性元件在机械加工过程中少产 生残余应力，应尽量减少精加工的切削用量，最好 不采用磨削加工工艺，因为弹性元件应变区最后一 道工序采用磨削加工时可产生60kgf ／mm2 以上的压 应力。尽管从弹性元件总体来看，由于机械加工产 生的残余应力只出现在其表面300μm 左右的薄层 部分，而电阻应变计就粘贴在这一应力分布不均匀 且有较大磨削应力的表面上，随着时间、温度、外 力的作用，会使弹性元件金属材料组织中产生滑移 线而不断地释放残余应力。由于残余应力是一种保 持在变形晶体内的能量，这种能量表现为把原子推 到了不稳定的位置，使原子间距发生变化而释放能 量。在释放残余应力的过程中，同时会产生微小的 永久性变形，直接影响称重传感器零点和灵敏度的 稳定性。 称重传感器弹性元件经过锻造和退火工艺处理 后，还必须进行淬火与回火工艺处理，以使弹性元 件材料具有较高的比例极限和良好的综合性能。确 定科学合理的热处理工艺规范并严格执行，可以保 证称重传感器具有优良的力学性能和较高的疲劳寿 命。40CrNiMoA 合金钢的通用淬火工艺为：淬火温 度840~860℃，保温时间10~30 分钟（由弹性元件大 小决定）油冷，淬火后的金相组织为淬火马氏体。 回火工艺为：回火温度200~560℃，保温2 小时，空 冷。对于中小型弹性元件多选用500℃的回火制度， 此时的金相组织为索氏体，但仍保留了马氏体方 向。硬度HRC39 左右，强度极限1250N/mm2 , 屈服极 限1130N/mm2 ，平均弹性滞后为0.024％。 国外有些称重传感器制造企业在弹性元件机 械加工和热处理后，实施二次真空回火工艺，即 提高回火温度或延长回火时间，可使弹性元件组织 均匀，提高称重传感器弹性元件的稳定性。但回火 温度高会较大地降低硬度和耐磨性，因此多用增加 回火时间的方法来消除残余应力。真空回火工艺 为：“经过480℃回火后的弹性元件，再进行一次 460℃×2 小时的二次回火；经过500℃回火后的弹性 元件，再进行一次460℃×4 小时的二次回火。真空 回火工艺的真空度均为10-5 托（1 托=1/760 标准大气 压）。 综上所述，弹性元件中的残余应力，主要来自 原材料在轧制或拉制等工艺成型过程中产生的残余 应力。在热处理过程中，由于冷却温度不均匀和相 变而产生的残余应力。在机械加工过程中，因切削 力作用而产生的残余应力。后者在弹性元件表面形 成变质层，使其组织处于不稳定状态，随着时间的 变化内应力松弛而导致尺寸变化。刨、铣、车、磨 等机械加工，使弹性元件表面变形不均匀，而产生 较大的残余应力，切削用量越大，表面的残余应力 就越大。 车削加工时，不同进刀量轴向和周向的残余 应力也不相同。在弹性元件表面为最大残余拉应 力，距表面40 ～80μm 处为最大残余压应力。磨削 加工时，产生的残余应力最大，磨削深度越大，产 生的残余应力就越大，其最大残余应力位于距表面 20 ～40μm 处。综合刨、铣、车、磨四种机械加工方 法产生的残余应力，可总结出： （1）最大残余应力位于弹性元件表面至深度为 100μm 之间，数值较大。 （2）残余应力衰减很快，在深度为200μm 处已 很小。（4）弹性元件精加工为磨削时，残余应力最 大，其值可达60kgf/mm2 ，因此热处理后弹性元件的 精加工尽量不采用磨削。
