圖1、典型冷室壓鑄過程

壓鑄，又稱為高壓鑄造，是一種近些年來被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和電子工業(yè)中的近凈成形技術(shù)。在壓鑄過程中，熔融金屬（一般為輕合金）在沖頭的作用下以高壓、高速充填型腔，并快速冷卻，形成最終的鑄件。

壓鑄一般分為冷室壓鑄和熱室壓鑄，冷室壓鑄主要應(yīng)用于大型零部件的產(chǎn)生，比如汽車零部件、通訊基站冷卻部件等；而熱室壓鑄則廣泛應(yīng)用于小型電子或3C產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，比如USB接頭、筆記本殼體等。

壓鑄具有很好的自動化基礎(chǔ)

與普通鑄造過程相比，壓鑄的特點(diǎn)是高速、高壓，所生產(chǎn)的產(chǎn)品一般為輕合金薄壁件，但壓鑄技術(shù)也被應(yīng)用于純銅轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)，與鋁、鎂合金不同，純銅的熔點(diǎn)很高，因此純銅壓鑄過程中模具壽命短是一個(gè)很大的問題。

在所有鑄造技術(shù)中，壓鑄的自動化程度最高。現(xiàn)代的壓鑄企業(yè)采用自動化壓鑄島技術(shù)，該技術(shù)將壓鑄機(jī)（一般為幾十甚至上百臺）高度集成，形成了完全自動化的生產(chǎn)過程。同時(shí)，采用智能工廠技術(shù)，將壓鑄機(jī)的生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，對每一臺的壓鑄機(jī)的性能和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)把握，通過大數(shù)據(jù)測量和實(shí)時(shí)反饋，及時(shí)對壓鑄機(jī)生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)整，以保證產(chǎn)品最終質(zhì)量。

圖2、典型壓鑄汽車結(jié)構(gòu)件

壓鑄模具溫度的實(shí)時(shí)控制就是一個(gè)簡單的例子：

以冷室壓鑄為例，在生產(chǎn)過程中由于高溫液態(tài)金屬不斷地充填型腔，使得模具溫度不斷升高。此時(shí)，為了保證模具溫度不至于過熱，一般會采用冷卻水通入模具以進(jìn)行冷卻。如果冷卻水管路設(shè)計(jì)合理，一般來講，我們可以通過控制冷卻水的溫度和流速來保證模具溫度達(dá)到所謂的熱平衡。從這個(gè)角度來看，我們可以設(shè)計(jì)冷卻水路反饋系統(tǒng)，在得知模具溫度的實(shí)際數(shù)值之后，通過計(jì)算和即時(shí)反饋系統(tǒng)控制冷卻水的溫度和流速，并最終得以控制模具的溫度。這是現(xiàn)階段壓鑄智能工廠的一個(gè)典型應(yīng)用。

事實(shí)上，上述智能控制的案例只是“智能工廠”中一個(gè)很小的應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“智能工廠”需要采集大量的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其中起決定性作用的是與產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)，比如密度、氣孔和氧化夾雜等，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)是客戶最關(guān)心的指標(biāo)，也是衡量一個(gè)鑄件是否合格的核心指標(biāo)。而現(xiàn)階段，這些最關(guān)鍵的指標(biāo)卻是最難獲得的，因?yàn)閷τ诮饘俸辖鹬破穪碇v，我們無法直接觀測產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。大部分的廠家采用的方式是抽查鑄件，在客戶明確規(guī)定的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行切割，然后直接觀測是否存在問題；另一種方法是采用二維X射線檢測技術(shù)，對抽樣鑄件的局部位置進(jìn)行掃描和觀測，這種方法最大的問題在于將三維的鑄件信息壓縮到二維的切片上，觀察得到的信息不能完整反應(yīng)實(shí)際情況。

圖3歐洲MUSIC項(xiàng)目智能工廠實(shí)施方案

鑄件內(nèi)部質(zhì)量監(jiān)控

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，對零部件質(zhì)量的要求越來越高，大的汽車生產(chǎn)商不斷制定出針對零部件內(nèi)部質(zhì)量的要求，定量地規(guī)定零部件內(nèi)部缺陷可以存在的標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，零部件供應(yīng)商在生產(chǎn)過程中，必須能夠?qū)崟r(shí)地檢測并標(biāo)定所有鑄件內(nèi)部的缺陷分布情況，并對比標(biāo)準(zhǔn)以評定鑄件是否滿足要求。

那么如何正確地觀測并記錄鑄件內(nèi)部的缺陷呢？現(xiàn)有技術(shù)中最好的技術(shù)是計(jì)算機(jī)斷層掃描，也就是我們俗稱的CT技術(shù)。CT技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域，將CT技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)檢測還是近幾年剛興起的技術(shù)。

將CT技術(shù)應(yīng)用于鑄件內(nèi)部質(zhì)量的檢測，必須滿足以下幾個(gè)要求：

第一，檢測的速度必須足夠高，以配合鑄件的實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程；

第二，檢測所獲得的圖像質(zhì)量必須足夠好，以配合后續(xù)軟件對圖像的精確識別；

第三，在保證精度的情況下，識別圖像的軟件或算法必須足夠快，從而不至于拖延生產(chǎn)進(jìn)度。

其中，前兩個(gè)要求是針對CT檢測本身提出的，而最后一個(gè)則是針對檢測軟件或算法提出的要求。快速檢測CT設(shè)備（Speed-Scan）已經(jīng)被德國大眾公司用于實(shí)際鑄件的檢測了。但是縱觀國內(nèi)壓鑄產(chǎn)業(yè)，使用實(shí)時(shí)CT技術(shù)對鑄件質(zhì)量進(jìn)行把控，從操作層面上來看具有嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)性，其中最大的制約因素是成本——CT檢測設(shè)備造價(jià)極高，而將其用于生產(chǎn)線一般需要大量的CT檢測設(shè)備，這是國內(nèi)大部分企業(yè)無法承受的。而隨著產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展以及對鑄件質(zhì)量要求的不斷提高，采用CT技術(shù)實(shí)時(shí)檢測鑄件內(nèi)部質(zhì)量會是今后一段時(shí)間內(nèi)主機(jī)廠對供應(yīng)商的普遍要求。

圖4、鑄造生產(chǎn)線部署的高速CT系統(tǒng)

工藝反饋及調(diào)整

在鑄件被CT檢測并獲得三維實(shí)體數(shù)據(jù)的前提下，我們假設(shè)有這樣一種算法：能夠以非常高效的方式將該數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析，并給出鑄件內(nèi)部缺陷的所有信息，包括類型、尺寸和分布等，那么我們就能利用這個(gè)信息對生產(chǎn)工藝本身進(jìn)行調(diào)整和修正，并最終獲得無超標(biāo)缺陷的合格鑄件。這個(gè)過程——即獲得鑄件信息并修正工藝的過程，我們稱之為工藝反饋和調(diào)整過程。當(dāng)然，我們不能只根據(jù)一個(gè)鑄件的信息來完成這個(gè)過程，最正常的情況應(yīng)該是獲得大量鑄件的信息，通過統(tǒng)計(jì)分析和工藝關(guān)聯(lián)的方法解決鑄件的缺陷問題。

接下來的問題是，即使我們獲得了大量鑄件內(nèi)部的缺陷分布信息，我們又如何通過調(diào)整工藝參數(shù)來規(guī)避不合格缺陷呢？現(xiàn)有的最有力的分析工具是計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，也就我們熟知的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)。

采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，我們可以實(shí)現(xiàn)局部意義上的虛擬生產(chǎn)，特別地針對壓鑄，我們可以將充型和凝固過程直接進(jìn)行數(shù)值模擬，通過研究流體充填型腔過程的速度、壓力、流態(tài)、噴濺等行為，來判斷充填過程是否存在卷氣；通過計(jì)算壓鑄不同循環(huán)條件下鑄件和模具的溫度的變化，來判斷和研究模具潛在的熱節(jié)、鑄件缺陷（縮孔、縮松）以及壓鑄熱平衡行為。通過這種數(shù)值模擬技術(shù)，在一定的分析條件的基礎(chǔ)上，我們在很大程度上可以判斷并規(guī)避鑄件內(nèi)部的缺陷，提高鑄件性能并大幅提高生產(chǎn)效率，達(dá)到之前我們討論的工藝反饋和修正的目的。

圖5、離合器殼體充填過程模擬

我們將整個(gè)過程串起來：采用數(shù)字化技術(shù)（CT）實(shí)時(shí)檢測產(chǎn)品的三維缺陷數(shù)據(jù)，如果產(chǎn)品不合格則將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺AE分析中心，采用模擬仿真技術(shù)分析并產(chǎn)生缺陷問題解決方案，解決方案回饋到生產(chǎn)和工藝前端進(jìn)行執(zhí)行并重新獲得產(chǎn)品，產(chǎn)品繼續(xù)經(jīng)過數(shù)字化檢測并獲得三維缺陷數(shù)據(jù)，如果產(chǎn)品合格則迭代結(jié)束，反之則繼續(xù)進(jìn)行。

掌握核心數(shù)字化技術(shù)

可以看到，這個(gè)過程中起關(guān)鍵的作用的是CAE分析，所提出的解決方案的有效性會對整個(gè)工藝流程的效率產(chǎn)生影響。實(shí)際上，是否能夠掌握好CAE技術(shù)的核心，是否能夠?qū)?shù)值模擬技術(shù)很好地應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中，可以在很大程度上衡量一個(gè)壓鑄企業(yè)的技術(shù)能力，因?yàn)閿?shù)字化技術(shù)是企業(yè)的必經(jīng)之路，在這條路上越早掌握數(shù)字化技術(shù)的核心，就越能在未來的企業(yè)競爭中脫穎而出。

因此，如果將數(shù)字化檢測技術(shù)和CAE分析技術(shù)很好地應(yīng)用在現(xiàn)有的壓鑄企業(yè)的話，我們可以看到一個(gè)完整而典型的數(shù)字化工廠場景。其中數(shù)字化檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)將物理實(shí)體數(shù)字化，而CAE分析技術(shù)則基于虛擬生產(chǎn)將檢測獲得的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為問題解決方案，在這個(gè)過程中，數(shù)字化檢測其實(shí)是一個(gè)完全自動化的過程，而CAE分析則仍舊需要人的參與。如果可以將CAE分析固化成一種算法，并實(shí)現(xiàn)完全的自動化，那么這就是未來智能數(shù)字化工廠的雛形。

來源：適創(chuàng)科技