铸造技术路线图（待续）——数字化、网络化、智能化

《铸造技术路线图》摘录

·行业发展·

铸造技术路线图（待续）
——数字化、网络化、智能化

《铸造技术路线图》摘录

l 数字化、网络化、智能化铸造

1.1 概述

中国已经连续十六年铸件产量世界第一。20l5年各类铸件总产量达到4 560万吨。虽然我国铸造行业近年来取得了长足进步，但大而不强，已严重影响自主创新能力的提高。在某些领域铸件质量已经成为整个装备制造中的瓶颈问题。当前我国正面临着从铸造大国向铸造强国迈进的历史课题[l]。

《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》指出，制造业是国民经济的主要支柱。我国是世界制造大国，但还不是制造强国；制造技术基础薄弱，创新能力不强；产品以低端为主；制造过程资源、能源消耗大，污染严重。并提出要重点研究数字化设计制造集成技术，建立若干行业的产品数字化和智能化设计制造平台。开发面向产品全生命周期的、网络环境下的数字化、智能化创新设计方法及技术，计算机辅助工程分析与工艺设计技术，设计、制造和管理的集成技术[2]。

可见，数字化、网络化、智能化在先进制造技术领域占有举足轻重的地位，也是铸造学科的发展前沿，符合“中国制造2025”的国家重大战略需求[3]。“中国制造2025”的主线是工业化和信息化的融合，把智能制造作为主攻方向，促使制造业数字化、网络化和智能化。加快推动新一代信息技术与制造技术深度融合，着力发展智能产品和智能装备，培育新型生产方式和产业模式，全面提升企业产品、生产和服务的智能化水平。“数字化、网络化和智能化”可以从根本上提高产品功能、性能，从而提高产品的市场竞争力；全面提升企业的设计、制造和管理水平，大幅度提高制造效益、降低产品成本和资源消耗，同时可以从容面对瞬息万变的市场，快速响应市场的变化。

数字化、网络化和智能化也是提高铸造成形技术水平的重要手段，可实现铸件成形制造过程的工艺优化，预测铸件组织、性能与使用寿命，确保零件的质量，显著缩短产品研发周期，降低生产费用，并大量节约资源与能源。建模与数值模拟、互联网+、人工智能、快速铸型制造、智能装备、数字化工厂、物联网与在线检测等则是铸造成形信息化的核心技术。因此，铸造行业对数字化、网络化、智能化技术有迫切需求，铸造过程的数字化、网络化、智能化是我国铸造行业进一步发展壮大、成为世界铸造强国的重要保障。

欧美工业发达国家均将铸造过程数字化、网络化和智能化作为优先资助和发展的领域，相关研究全面而深入，技术开发环境好，资金投入大，软件市场占有率高[4]。紧紧追随世界的脚步，我国在铸造过程的数字化、网络化、智能化方面也已经开展了大量的工作，在政府加强引导、加大经费支持以及企业积极参与等共同作用下，极大地提高了铸造成形技术水平。但总体来说，与国际水平尚有较大差距。

虽然数字化、网络化、智能化在国内铸造行业获得了一定应用，但与国外相比仍有较大差距[5]。国内自主研发软件资金、技术、人员投入较少，自主开发商品化铸造模拟软件能力仍很弱，软件市场占有率不高，更缺乏世界影响力。国内铸造企业应用铸造过程数值模拟软件和快速铸型铸造技术不够普及，应用水平相对较低，机器人应用很少，物联网+等技术的应用刚刚开始，与国外先进铸造企业还有很大差距。在具备规模的铸造企业中一般都购置了铸造过程数值模拟软件，在新产品开发中一定程度上采用了模拟技术，模拟结果为新产品开发的工艺制定和优化发挥了一定的作用。但是对模拟的认识还比较粗浅，模拟应用人员的层次还比较低，模拟配套的性能参数数据库还很缺乏，软件自带数据库与企业的情况不完全一致。因此对模拟还存在很多误区，如有的认为模拟出来的结果和实际差别大，不问青红皂白就全面否定模拟，也有的片面迷信模拟结果，不加深入分析和判断就直接采用指导生产。这些都影响了模拟技术在铸造行业中的普及和深入。

智能制造（Intelligent Manufacturing）通常泛指智能制造技术和智能制造系统，它是人工智能技术和制造技术相结合后的产物[6]。在中国《智能制造科技发展“十二五”专项规划》中，定义智能制造是“面向产品全生命周期，实现泛在感知条件下的信息化制造，是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上，通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术，实现设计过程智能化、制造过程智能化和制造装备智能化等。智能制造系统最终要从以人为主要决策核心的人机和谐系统向以机器为主体的自主运行转变”。当然智能制造还有其他的不同定义。但无论从哪个方面来说，我国铸造行业离智能化尚有非常大的差距。随着技术的进步，很多企业都使用了机械手或机器人，铸造企业的造型、制芯、落砂等工序的设备已经实现了半自动化和自动化生产。但到目前为止，仍有很多铸造企业装备落后，沿袭传统的手工生产方式，与建设智能化的铸造工厂的目标相比，有相当大的差距。建设数字化铸造厂的前提条件之一，就是企业所装备的设备必须具备自动化和智能化的特性。

1.2 关键技术

1.2.1大型铸锭及铸件的建模与数值模拟技术

l）现状

大型铸件多指重大技术装备中的大型铸造产品，性能要求高，以铸钢件为主。大型铸锭通常是指需要进一步采用大型液压机才能最终成形的金属模铸锭。其质量直接影响到重大装备的整体水平和运行可靠性，是发展电力、船舶、冶金、石化、重型机械和国防等工业的基础，是发展先进装备制造业的前提，是衡量一个国家重工业发展水平和国家综合国力的重要标志之一。

数字化、智能化、网络化技术在我国大型铸锭及铸件相关研究中的应用仍处于初步阶段，与国外先进水平仍存在较大差距，目前大多数研究只是针对大型铸锭及铸件生产过程中的某一环节，如针对大型铸锭/铸件凝固过程缩孔缩松等缺陷的形成，针对大型铸锭/铸件热处理微观组织的演变等。随着计算机技术的快速发展，多尺度、全过程建模与数值模拟技术思想已开始被相关学者和研究机构采用。

清华大学针对300 t大型钢锭，集成考虑浇注过程和凝固过程，耦合宏观尺度上的传热、传质等传输现象和微观尺度上的晶粒形核、长大，研究多包合浇工艺对钢锭宏观偏析形成过程的影响，实现了宏微观的耦合模型的集成[7]。华中科技大学针对某铸钢件，模拟铸件铸造的充型过程及后续凝固过程，预测最终凝固过程的铸件缩孔缩松分布，对比分析不同冒口补缩工艺方案，设计了该铸钢件冒口优化方案，实现了工艺流程上的集成[8]。清华大学针对马氏体不锈钢铸件铸造与热处理中组织转变，考虑铸件铸造过程和热处理过程，建立水轮机铸件铸造与热处理全过程热应力分析系统，对实际生产的水轮机铸件的应力和变形进行研究，实现了铸造和热处理关系的集成[9]。

2）挑战

由于国家对能源、国防工业的继续加大投入以及新兴产业发展中的高端装备对大型铸锭及铸件的需求，尤其是高端紧缺大型铸锭及铸件的国产化需求，我国大型铸锭及铸件生产技术水平亟需重大突破。然而大型铸件多为单件生产，生产过程复杂、周期长、成本高，而且形体巨大，制造难度大，服役条件严酷，加上大型铸件生产过程对能源和材料等消耗大，不适于用实物进行研究。

针对不同用途的大型铸件，从材料选择到材料优化设计，冶炼精炼调控到其工艺设计，以及利用更为精准的模型在宏微观尺度来对其铸造过程及后续热处理过程进行建模与数值模拟，然后开发工艺集成工具把各个生产阶段工艺整合，最终达到工程系统的性能和寿命的预测。

3）目标

（l）预计到2020年，要达到的目标：

实现大型铸件及铸锭铸造过程的建模与数值模拟以及对缺陷的预测，如缩孔缩松、宏观偏析及裂纹等；实现模型内的宏微观耦合，针对不同尺度范围内的物理现象行进行建模，建立不同尺度模型之间的链接关系。

（2）预计到2025年，要达到的目标：

实现铸造过程工艺性评估和对组织结构的预测，如浇注工艺、模型设计、等轴晶柱状晶转变等；实现材料和冶炼工艺与铸造过程的模型耦合，针对不同的材料或成分范围给出模型的输入参数，建立不同工艺下的模型初始条件。

（3）预计到2030年，要达到的目标：

实现大型铸件性能的预测和寿命的评估，给出特定使用环境下的工程寿命。实现铸造和热处理过程建模与数值模拟的耦合，针对不同的铸造工艺来初始化热处理过程的参数，建立宏微观组织演变、组织缺陷遗传演化的关系。

1.2.2 轻金属材料铸造过程建模与数值模拟技术

l）现状

铝、镁是典型的轻金属材料。铝合金具有相对较轻的重量、较高的比抗拉强度和比弹性模量，越来越广泛地应用于汽车工业和航空航天等领域。镁合金是目前工程应用中密度最小的金属结构材料，在实现汽车轻量化中应用潜力巨大，受到了越来越多的关注。

现代成形制造技术和产品研发中，一个十分重要的发展趋势是越来越多地运用计算机建模与数值模拟技术[l0]，采用模拟技术已成为开发成形加工产品新工艺、实现技术创新的重要方法手段。近一、二十年来，在工业发达国家，成形制造模拟技术不断向广度、深度发展，模拟技术已成为国际公认的材料及制造科学的重要前沿领域。模拟技术用于轻金属材料铸造成形领域，可以缩短轻合金铸件的研发周期并大大降低研发成本[ll]。

近几年来，我国铸造模拟技术在轻金属材料铸造成形方面的研究和发展势头强劲。清华大学面向汽车、军工等行业对高性能轻金属结构件铸造成形技术的需求，开展铝、镁合金铸造及凝固过程宏/微观建模与数值模拟研究，建立了铝、镁合金压铸、挤压铸造成形实验基地。在多项国际科技合作、973计划、国家自然科学基金、以及企业科研合作项目的支持下，围绕铸造镁合金“工艺-组织-性能”建模与数值模拟、铝镁合金铸造成形宏/微观建模与数值模拟等进行了比较系统、深入的研究[l2]。我国一汽集团十分重视铸造模拟技术的研究与应用，将协同优化和数字建模与数值模拟应用于汽车发动机缸体的设计和制造过程，建立了汽车发动机缸体智能化生产单元，将发动机缸体制造多个复杂工艺过程整合起来进行数字化设计，生产效率和质量都得到了大幅度的提高。

2）挑战

尽管我国数字化、网络化、智能化取得一定发展，但其在轻金属铸造领域的发展还面临一系列的问题。轻金属铸造过程的建模与数值模拟涉及跨越不同长度与时间尺度的复杂物理现象，现有的模型还需要发展和完善；目前大部分模拟工作还主要集中在宏观尺度，多尺度、多学科数理建模及轻金属成形零部件的组织、性能和使用寿命预测研究亟待加强[l3]；企业技术水平参差不齐，模拟技术的应用水平有待提高，对于数字化、网络化、智能化等先进理念、方法和工具还缺乏足够重视；政府和产业界对研究和开发投入不足。

3）目标

（l）预计到2020年，要达到的目标：

针对汽车、航空航天、交通运输等行业的轻量化需求，对铝、镁合金的先进铸造成形技术，如高压铸造、挤压铸造、半固态铸造等，开展宏观建模与数值模拟研究，实现单体技术开发与验证。

（2）预计到2025年，要达到的目标：

通过对液态金属的传热、流动、传质和铸件/铸型应力的模拟，以及微观建模与验证，从而可以准确预测铸件中的组织和缺陷的形成，实现铸件质量控制。

（3）预计到2030年，要达到的目标：

在耦合宏观模拟的基础上，对铸件组织、性能等开展建模与数值模拟研究，进而预测铸件力学性能和使用寿命，揭示工艺-组织-性能之间的关系，实现从产品设计、材料开发、制造工艺优化、服役评价等全生命周期的数字化、网络化、智能化。

1.2.3 航空发动机高温合金叶片数值模拟技术

l）现状

单晶高温合金是先进燃气涡轮发动机最主要的叶片材料。我国在单晶合金及其工艺研制方面已取得显著成绩，但是仍远远落后于国际先进水平。由于生产工艺的复杂性和不稳定性，以及研制周期长、费用昂贵和成品率低，我国单晶叶片的研制过程缓慢，制约了其在先进航空发动机上的实际应用[l4]。针对这一技术瓶颈问题，将数字化、网络化、智能化引入到高温合金涡轮叶片的制造过程中，利用计算机模拟技术有效模拟定向凝固叶片的凝固微观组织演变过程，分析固液界面前沿的溶质扩散、熔体流动和温度分布规律，预测晶体缺陷的产生，最终实现优化生产工艺、缩短试制周期、降低试制成本、提高单晶叶片的质量和成品率的目的[l5]。

研究数字化、网络化、智能化在航空工业中应用的目的在于推动铸造技术走高端化道路。目前，我国铸件产量已稳居世界第一，但大而不强、重量不重质，许多高端铸件产品仍然依赖于国外进口，尚没有完全掌握如航空发动机热端部件等高端铸件的成形制造技术，合格率低。究其原因，除了部分是归因于原材料以外，对高温合金定向凝固过程缺乏有效的预测与控制手段也是重要原因之一。多年的研究工作表明，通过把计算流体力学、计算传热学、计算材料学和组织性能模型有机集成起来，能够综合预报铸造成形过程的各物理量演变规律，预判铸造成形过程中材料微观组织和各种缺陷的变化，全息地反映工艺参数的作用效果，为优化铸造成形工艺和提高产品质量提供有力的工具。这种技术发展的可行性已经在研究领域得到比较充分的验证，有望从根本上改变高温合金叶片定向凝固生产技术水平的现状，促进我国航空工业制造技术水平的进步[l6]。

2）挑战

尽管数字化、网络化、智能化在航空工业有着大幅降低成本、加速新产品研发的巨大潜能，但为更好地使其在航空工业领域广泛采用，以下问题需加以解决：

（l）多尺度、多物理量、成形制造全流程模拟的集成

对高温合金定向凝固叶片的多尺度耦合模拟可以有从时间尺度和空间尺度两个方面来理解。从时间尺度上来讲，一方面是定向凝固工艺-微观组织-力学/使用性能之间的耦合关系模拟；另一方面是不同成形工艺之间、也即制造全流程的耦合，对叶片的制造而言，存在着铸造（定向凝固）-热处理-激光打孔-陶瓷涂层等复杂制造工艺。从空间尺度上来讲，主要是从微观尺度-介观尺度-宏观尺度上的耦合模拟，不同尺度对应着不同的模拟手段和方法、工具，模拟手段/工具之间的耦合及数据调用、边界条件信息传递等则是存在的主要问题。

多物理场耦合是指在高温合金涡轮叶片定向凝固过程中涉及到的多物理场之间相互作用，这些物理场主要包括：流场、温度场、溶质场、组织场、应力/应变场等。这些物理场中有些是一一对应关系，有一些是两两之间的相互影响，也有一些是三者或三者以上的耦合关系，如何建立耦合关系模型，并寻找合理的解耦方法是研究的重点。

（2）实验技术和数据库是数字化、网络化、智能化的重要保障

材料基础数据、微结构以及性能模型既有基于理论的，也有基于现象的，但无论哪种模型都不是十分完善，都需要更多的实验数据来修正，同时，模型也需要覆盖更多的实验数据[l7]。研究表明，数字化、网络化、智能化工具50%～80%的开发费用与实验研究有关。实验手段不仅是建立理论模型的前提，也可以弥补理论上的不足。实验的重要性还在于可以确保模拟软件的准确性。

3）目标

（l）预计到2020年，要达到的目标：

建立完善的单晶高温合金材料热物性参数数据库，实现晶体生长与枝晶生长的数值模拟和缺陷预测，实现高温合金叶片定向凝固工艺的优化。

（2）预计到2025年，要达到的目标：

建立完善的单晶高温合金高温力学本构模型，较准确地模拟热应力与应变，实现单晶高温合金铸件的再结晶预测，实现高温合金叶片热处理工艺的建模、模拟与工艺。

（3）预计到2030年，要达到的目标：

争取实现单晶高温合金叶片的制备工艺-微观组织-使用性能的多尺度、全过程建模与数值模拟，实现叶片的力学性能与使用寿命预测。

（未完待续）

l0.l6666/j.cnki.issnl004-6l78.20l7.05.020