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高温合金数智化铸造现状及发展趋势论文

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  关键词:数智化铸造;高温合金;过程控制

  航空发动机涡轮前温度提高,有利于发动机性能提升[1]。随着商用航空发动机对经济性、高可靠性、高性能和长寿命要求越来越高,先进Leap系列、GEnx、GE9X和Trent系列机型的性能也不断提升。合金承温能力越高,合金的合金化元素越高[2],合金变形越困难。铸造高温合金相比锻造高温合金承温能力更高,成型结构更复杂,制造成本低。从推荐长时使用温度650℃的IN718合金到最高耐温1000℃的Mar-M247合金,以及承温能力更高的CMSX-4、CMSX-10、RenéN5和RenéN6等单晶高温合金,高温合金铸件产品数量和种类日益增多,铸造高温合金现已基本突破复杂结构件和叶片冶金质量和尺寸控制。但铸件产品一致性和稳定性较差,影响铸件持续稳定交付以及铸件成本控制。为了提升产品合格率和一致性、降本增效,铸造企业已逐步策划和开发产品生命周期管理(PLM)、产品数据管理系统(PDM)、制造企业生产过程执行系统(MES)、企业资源计划系统(ERP)和过程控制系统(SPC)等系统软件实现产品生产管理。但是,多存储介质和多类型的数据分散在各工序和各种系统中,数据采集程度、及时性和准确性不够,数据顺序性、关联性不够,数据统计分析模型与过程匹配性不够,生产过程数据没有得到有效采集、管理和统计分析,更是难以有效、全面和及时指导实验、生产和工艺优化活动,不利于叶片铸造工艺改进和持续稳定生产。

高温合金数智化铸造现状及发展趋势论文

  文章主要概述了国内外铸造高温合金数智化铸造的发展现状,总结了国内数智化铸造的发展趋势,分析了发展进程中要高度重视并必须解决的重要问题。

  1国内外数智化铸造发展现状

  1.1国外数智化铸造发展现状

  智能制造已成为全球制造业的目标,在“德国工业4.0”“美国工业互联网”“英国制造业2050”和“日本工业制造白皮书”等推动下,企业生产管理系统作为智能制造重要方法工具,在产品降本增效和批量化生产中效益日趋明显[3]。依托基础学科和管理学科发展,数字化产品生产管理系统已发展包含产品生命周期管理(PLM)、产品数据管理系统(PDM)、制造企业生产过程执行系统(MES)、企业资源计划系统(ERP)和过程控制系统(SPC)等系统及相关软件,并在此基础上不断发展,集成化和智能化程度越来越高。数字生产管理系统就是实现数据数字获取和数据智能分析,最终用于产品决策。

  生产过程数据数字化获取方面,国外不仅实现了多传感器的在线和实时测量,而且同时赋予单项数据多重标签,简化数据树,数据关联性强和后期调用方便。但是数据标签信息越多,数据标记数据量越大。传统有限字节标签和条形码标签,存储的数据量已不满足产品对于数据标签要求。发展至今,先进制造企业逐渐使用信息储存量的二维码用于产品标记。二维码具有信息容量大,编码范围广,容错能力强,可靠性高,防伪性好的优点,逐步从数字支付发展到制造领域的产品标记[4]。

  生产过程数据智能分析方面,自1924年美国贝尔实验室提出控制图用于质量控制发展至今,统计过程控制理论涉及统计数学、管理和控制多学科,形成了控制图、工序能力指数(CPK)、试验设计(DOE)等多种工具和方法,已在汽车、纺织、医药和电子等领域成熟应用[5]。随着商用航空市场需求不断增大,航空产品数量不断提升,出于对产品成本控制和一致性要求,OEM对于产品制造的过程控制提出了更高的要求。铸件是航空产品中技术难度最大的产品之一,也是过程控制实施最有收益的产品之一。研制阶段,由于技术难度大,铸件产品合格率甚至达到10%~20%,巨大的合格率提升空间,可以带来丰厚的经济效益,通过实验设计和过程控制工具不断优化产品工艺参数,不仅可以形成产品制造过程控制参数,而且可以逐步提升产品合格率。批产阶段,铸件生产多工序、多参数、多维度过程和检测数据通过数据收集、分析和监控,能够有效保障生产过程趋于稳定,保证产品合格率。OEM更是关注铸件的关键特性的工序能力指数(CPK),CPK提升不仅可以提升产品一致性和合格率,同时也可以减少过程监控频次,进一步降低产品生产成本,逐步从“检测保证产品合格”到“过程保证产品合格”转变。

  1.2国内数智化铸造发展现状

  中国已逐步成为国际制造大国,虽与制造强国存在一定差距。但部分企业在细分行业的市场占有率越来高,国际化生产和市场竞争中,企业意识到MES、ERP和SPC等数字化和智能化系统所带来的管理和效益提升,并逐步引进和应用相关系统软件。但是,数字化和智能化系统搭建过程中,也存在以下问题:数据采集程度、及时性和准确性不够;生产管理系统集成化程度不够,系统友好性较差,各系统交互性不够,生产干预及时性不够。国内铸造行业虽然技术和设备得到了显著进步,但是大规模一体化的数据采集和集成运用依然不完善。

  生产过程数据数字化获取方面,国内铸造行业数据采集的智能化和实时性不高,大部分数据只能靠现场读取和记录,数据分散,不便于后期利用。其次是产品数据没有得到结构化分类存储,“图号+炉号+模组号”的简单数据标签,往往需要多重树形检索才能提取和利用数据,数据抓取繁琐,且不利于后期调用。

  生产过程数据智能分析方面,国内铸造行业与国外同类产品相比,存在的一个主要的质量问题就是产品的特性参数和质量“一致性差”和“稳定性不好”。当前国内高温合金铸造行业已陆续认识到过程控制对于产品质量提升的作用,但是由于缺乏适用于铸造行业的软件工具,部分企业仍然使用EXCEl统计部分工序关键参数,其时效性往往不能有效控制生产过程,同时无法实现多参数耦合的过程控制。虽然部分企业也引入MES和ERP等系统,但是系统之间关联性不够,集成化程度不高,系统与现场生产匹配性较差,系统友好性较差,可视化程度不高,软件体验差。

  2国内数智化铸造发展趋势

  2.1铸造过程数据数智化管理

  虽然国内铸造高温合金生产企业在关键原辅料参数控制、关键设备关键参数测量等方面存在一定差距,使得关键过程数据控制范围和监测手段不够,但是在实现熔炼炉、单晶炉等关键高端设备,以及蜡料、陶芯和型壳材料等关键辅料的自主可控的基础上,关键过程数据必将得以全面、在线、及时、准确地采集。

  一是针对关键原辅料,建立科学的数智化管理,形成一套完整适用于多产品的铸件原辅料控制标准。例如,陶芯作为单晶高温合金铸造过程中一种关键材料,国内航安、明禾、湘润、智疆和中航装甲等单位基本实现陶芯产品稳定生产,针对不同结构单晶高温合金,其对陶芯的高温强度、扰度和孔隙率具有不同的需求,且相关参数过程可控、波动性要求严格。但是,国内铸件单位尚未实现陶芯的高温强度、扰度和孔隙率控制检测,往往陶芯质量一波动就会导致铸件批次性报废。

  二是提升关键过程的识别监测。例如,热等静压作为提升铸件内部质量、消除显微疏松的有效手段,为了避免内部杂质气体与铸件在高温高压环境下反应,形成表面脆性化合物,先进的热等静压炉已实现气体的在线监测分析。因此,设备厂商在选用设备的时候,必须识别在线气体分析仪的重要性并加装该设备。

  三是推广应用二维码标记技术。铸造过程数据数智化程度越高,数据层采集量越多,越复杂,就需要有方法地实现数据标记和存储,二维码标记作为一种有效、安全和准确性高的标记手段必须进一步推广应用。从原理上分析,树形检索结构是数据常用的检索方法,其核心是数据标记和树的级数设计,数据级越多,数据检索调用越慢,数据库越复杂;数据级越少,数据标记越多,数据库越简单。从这个角度看,在铸造过程数据快速及时采集的基础上,二维码技术更有利于后期数据调用。

  2.2铸造过程集成数智化控制

  铸造过程数智化控制一定会充分广泛运用二维码技术,来管理产品全生命周期的生产数据、技术状态、产品特性等信息,然后使用数据统计、过程改进和故障诊断等工具方法,基于建立的数学模型进行深度分析和价值挖掘,智能化控制高温合金材料铸造生产[6]。同时,PLM、PDM、MES、ERP、SPC等生产管理子系统之间,以及生产管理系统与企业档案系统之间必将进行交互集成,通过可视化界面,动态、即时地呈现产品生产管理、数据管理、过程管控等信息并预测风险,还要实现六大功能:

  (1)读取当前行业内PDM、PLM、ERP和Database等系统软件数据,同时兼容其他生产管理系统的数据调用。

  (2)支持散点和连续数据离线和在线采集,可实现基于二维码标识的产品铸造全过程数据的存储、管理、调用和分析。

  (3)关键参数可实现单元素、多元素的参数化或非参数化分布数据分析,建立一系列铸造过程关键参数数学分析和控制模型。

  (4)持续监控控制,同时可实现临时性过程监控。

  (5)基本异常处理原则定义、优秀案例学习再利用。

  (6)可视化的数据分析、异常监控和预警功能。

  铸造关键过程数字化监控及智能化控制系统主要架构如图1所示。包含:关键过程智能化控制系统,完成产品关键过程参数控制,提升产品合格率;产品数字化监控系统,通过二维码定义标识的数据,实现数据多重标识存储和产品全生命周期数据管理;铸件一致性分析系统,通过后端铸件冶金和尺寸数据监控,保障产品合格率稳定性。生产过程数字化管理系统要实现产品全生产周期生产数据、技术状态和产品特性的采集和管理。

  3小结与展望

  经过近十年物联网技术的发展,铸造高温合金领域数智化技术已取得一定成绩,有了较为扎实的基础,形成了良好的发展环境,具备了快速发展、跨步发展、创新发展的潜力。同时,有关铸造企业必须保持清醒的头脑,深刻认识面临的困难挑战,重点解决好以下四大问题:

  (1)增加资金投入更新完善生产管理系统,扩大数据采集范围、提高数据采集及时性,形成以点带面的效应。

  (2)综合运用多种大数据技术,对生产过程数据进行深度挖掘,以有效、全面和及时指导实验、生产和工艺优化活动。

  (3)改善企业人才结构,用更高学历的专业人才高效率运行维护生产管理系统并对异常情况、异常数据进行及时妥善处理。

  (4)抱有长期运营、深耕铸造业的坚定目标,不断提高铸件产品发展的一致性和稳定性,确保及时持续交付以满足客户需求。

  参考文献

  [1]聂晶,杨瑾,童悦.大型民机发动机关键技术现状与发展趋势[J].航空制造技术,2012(21):34-37.

  [2]严佳,柴军生,任国哲,等.航空发动机涡轮流动及噪声数值模拟[J].上海大学学报(自然科学版),2021,27(6):993-1009.

  [3]李爱兰,汤鑫,曹腊梅,等.热等静压温度对K447A高温合金显微组织及性能的影响[J].航空材料学报,2012,32(2):13-19.

  [4]韩扑塄,靳亚峰,吴伟.基于汽轮机叶片金属二维码标识技术的研究与应用[J].大型铸锻件,2021(6):53-56+62.

  [5]马天宇.解读:矩阵式二维码在商用航空发动机产品标印中的应用[J].中国航班,2021(9):66-70.

  [6]金帅,罗丹青,刘永华,等.航空新材料研究进展及发展趋势探析[J].机电产品开发与创新,2023,36(4):29-33.

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