锐意进取，实现传统铸造产业的技术革新——记西北工业大学材料学院教授郝启堂

蔡巧玉

郝启堂在工作现场

铸造是一门既古老又崭新的技术。

早在石器时代，铸造就已经出现在人类的生产活动中，并作为一门古老的技术传递数千年之久。从“钟鸣鼎食”的青铜时代起，我国古代铸造匠人就以创造出许多技艺精湛超群、巧夺天工的铸件而闻名于世。可以说，一部中华文明史是一部凝聚了历代工匠智慧和创造的发明史。

时至今日，铸造业已成为现代机械制造工业的基础，其发展很大程度上标志着一个国家的生存实力。工业革命以来，铸造行业向机械化、规模化发展成为不可逆的历史潮流。美、英、德等发达国家的铸造工业不断借助科技革命掀起的浪潮脱胎换骨、快速升级，呈现出专业化、集约化、高端化、智能化等特点。而中国作为传统的铸造大国，在迈向现代的过程中却遭遇了瓶颈：一面是经济发展催生的强大需求，一面是铸件工艺缺乏技术含量、高端铸件产品长期依靠进口。如何突破中国现代铸造业发展的瓶颈，成为相关科学家面临的首要难题。

在西北工业大学材料学院教授郝启堂看来，承续传统荣光，开拓技术新篇，是我国铸造行业发展的必由之路。以技术突破为破局之道，蕴匠心于探索之途，用技术解决问题、填补差距，推动产业规律化、规格化、规模化发展，是他一切研究的起源，也是其最终目的所在。

投身铸造：从一而终的选择

谈到与铸造的缘分，郝启堂常常用“一辈子”来形容。在他看来，与这项他埋首一生的事业相遇相携，很有些宿命的味道。

1984年，临近高考的郝启堂，尚对未来要报考哪所大学一无所知。就在此时，西北工业大学（以下简称“西工大”）的招生宣讲会开到了郝启堂的学校——神木中学。西工大这所传承悠久的理工科学校，给郝启堂留下了深刻的印象，并顺理成章地成为了他的第一选择。

凭借优异的成绩，郝启堂顺利地考入西北工业大学，并机缘巧合地选择了其王牌专业——铸造专业，开始了本科阶段的学习。囿于时代和行业发展水平，当时的铸造工业的发展程度相对较低，一度被看作是苦活累活，研究涉及的专业领域也远未达到现在的水平。这种情况，让经过4年专业学习的郝启堂，依旧对“铸造要干什么、有什么意义”这一问题心存疑惑。为了寻求这个问题的答案，他决心在学术路上继续探索，以期用所学知识回答铸造行业“是什么”“为什么”的本源问题，并以此为起点，紧跟行业发展的趋势，充分运用新技术新产品，应对行业发展不断出现的新需求。

为此，郝启堂远赴哈尔滨工业大学攻读硕士及博士学位，随即开始在铸造装备生产自动化领域展开研究。投身这一融合了铸造工艺、自动控制、软件编程等前沿内容的交叉课程中，加之哈尔滨工业大学“学在一线”的研究学习方式，让郝启堂迅速地融入铸造行业实际的工作场景中。“从那时起，我的研究就一直没有离开业务现场。”郝启堂说，“这也决定了我的研究更加偏重工业应用层面，‘一切从实际需求出发，把论文写在优质铸件自动化生产现玚’也成了我的研究准则。”

郝启堂（右二）和同事讨论技术问题

在哈尔滨学习工作10年后，思念家乡的郝启堂决定重回西北工业大学任教。专门从事高温合金研究的傅恒志院士研究组首先接纳了学成归来的郝启堂。然而在合作的过程中，郝启堂很快发现自己“志不在此”。此时的郝启堂，早已挥别年少时的迷茫，他果断转换方向，投身到铝镁合金的研究领域，并相信自己可以在这一领域取得更高的科研成就。对于他的选择，傅恒志院士予以大力支持，鼓励他独立出来做自己感兴趣的工作。以这次“转向”为开端，郝启堂成为独立带队的领头人，开始了以铝镁合金为主体的铸造工艺、铸造设备及生产自动化方面的攻关研究。

克难关：“凡事先落到实处”

在郝启堂看来，我国铸造行业最大的掣肘是“大而不精”——在行业规模持续扩大的前提下，行业产能严重落后于实际需求，甚至在涉及国家安全、科技民生等问题的多个重要领域，关键性的国产大型高质量铸件尚处于空白阶段。为应对军用及民用领域关键装备整体化、轻量化、精密化制造的国家重大需求，同时填补相关领域的空缺，自2001年起，郝启堂即瞄准大型高质量铝合金铸件铸造领域，攻坚反重力铸造成型过程中的工艺及设备短缺的难题。

据郝启堂介绍，运用于重大装备上的大型高质量铝合金构件，不仅形状复杂、尺寸精度高，而且对力学性能和致密度的要求极为苛刻，加之复杂结构的整体精铸，使得铸件的质量控制成为难点。因此，在反重力铸造和控压铸造成形过程中，精准控制就显得尤为重要。

液面加压是决定精准控制能否实现的核心所在，与具有固定控制属性或传递函数的被控对象相比，反重力铸造或控压铸造成形装备的被控对象具有很大的延滞性，而且被控对象的有效容积、介质温度、气源压力、加压规律等都会随时间变化，很难通过建立固定的数学模型来实现成形过程的精确控制。这就使得郝启堂不得不在利用传统PID实现过程控制时，为系统分段提供不同的PID参数，以求得到较好的动态控制效果。然而，这种分段式PID参数方案很难为这种无规律连续变化的成形过程提供无缝精确控制。

为了解决这一问题，郝启堂创造性地将模糊控制技术引入反重力铸造及控压铸造成形的液面加压过程，开辟了铸造过程动态控制的先河，并制定了专用参数模糊化规则。通过细化输入和输出量的模糊论域划分等级并结合Mamdani模糊推理方法，统筹考虑误差、误差变化量、气源变化、介质温度等因素，实现了最大限度上因变量控制的全覆盖，从而使液面加压过程控制水平和控制稳定性得到了很大程度的提高。

当然，一件事的成败与否，并不是只有内部因素这一个影响因素，精准控制也是一样。在整合处理了材料内部各种影响因素之后，郝启堂将目光投向实施精准控制过程中的外部因素，以求较为彻底地解决“稳定性”的问题。

在相关领域的国际交流过程中，郝启堂发现，以德国为代表的传统铸造强国，其人工智能及视频图像识别技术在铸造方面的运用已经十分纯熟。这为郝启堂提供了“解题思路”——他积极开展铸造行业与先进算法、深度学习技术充分融合的相关研究，以实现对设备和工艺更好的实现效果。具体到实际操作中，以进一步提高液面加压控制系统的适应性和抗干扰性能为目的，郝启堂充分利用神经网络算法优秀的自学习和自适应能力，真正意义上实现了PID参数的连续在线整定，并通过引入自适应学习率和自适应动量项方法，使算法的学习效率和控制精度得到明显的提升。随着先进算法的不断应用，针对神经网络PID算法程序计算量大、结构复杂等问题，郝启堂在算法中引入模糊控制模块，并利用神经元间的迭代学习，实现了对模糊表中参数增量的再优化。在此基础上，郝启堂开发出了模糊神经网络PID控制算法，其应用在控压铸造成形液面加压过程控制的精度、可靠性和效率方面均取得了理想的结果。

借助参数模糊化和网络神经元算法，郝启堂团队突破了大尺寸复杂铝合金铸件的完整成型、多组元铝合金凝固组织精细调控、铸造缺陷及致密度控制、铸件尺寸精度控制等关键技术，实现了大型复杂构件的精确成型和组织性能优化。在此基础上，郝启堂团队提出高阶参数模糊化控压成型控制算法，结合大口径控压数字组合阀技术，开发出系列化全自动控压成型铸造装备，解决了大尺寸、大吨位异形构件的成型工艺难题，填补了我国大型控压成型铸造装备技术空白。

从2007年“反重力铸造工艺与装备”项目的合作实施，再到2020年“大型高质量铝合金铸件控压成型关键技术及应用”合作研究，与郝启堂有过多次合作的西北工业大学教授介万奇反复强调：“如果没有郝老师这个团队，我们的项目不可能完成，更不可能这么好地完成。”在介万奇看来，如果自己是提出“新想法”、着重理论研究的人，那郝启堂就是那个让“想法落地”的人。通过近15年的研究和技术创新，郝启堂团队开发出大型高质量铝合金构件控压成型铸造新技术，在高精度成型、复杂结构整体成型、高性能成型及高致密度成型方面均有亮眼成果，其中铝合金熔体综合处理技术和控压凝固技术已达国际领先水平。在技术创新的加持下，郝启堂团队研发出了我国最大的分体式低压铸造和全自动砂型反重力铸造生产线，在我国关键大型复杂构件的生产中发挥了重要作用，运20等重点型号大型复杂构件铸造难题得以顺利解决，航空航天领域实现了大型铸件的完全国产，保障了国家重大型号的研发与批产，同时推动了我国高质量铝合金构件铸造技术的跨越式发展。

谈及成果，郝启堂显得很自信：“凡事先落到实处，这是我们团队一直奉行的工作准则。在与介万奇教授的具体合作中，我们在着眼实践的同时，充分重视理论的重要性和指导性，并积极在实践中为新的理论提供实证，最终实现了两个团队的强强联合、共同进步。不谦虚地说，这么多年以来，以关键技术为切入点，充分打通理论到实际应用的通路，我认为我的团队做得还是很不错的。”

重实干：拓宽产业化道路

与一般的学者不同，郝启堂很享受与企业“亲密接触”的过程。他认为，企业是行业发展的先锋队伍，企业的需求，在一定程度上与行业发展需求是高度趋同的。在郝启堂看来，企业的需求不仅是研究方向的“指路灯”，更是研究路上的“磨刀石”，能够在明确方向的前提下，促进自己查漏补缺、不断创新。他说：“我的工作要切实地为企业服务，脱离实际需求的闭门造车没有意义，更不会有发展。”

为此，郝启堂积极参与到国家先进工业预研项目中，以期可以精准地解决企业生产过程中提出的各项问题。在某型号关键结构件国产化的先进工业预研项目中，郝启堂成功地将自动控制技术引入传统的铸造成形当中，实现了我国优质铸件生产工艺和装备从无到有的转变。伴随着反重力铸造成形技术研究工作的深入，以及在我国优质铸件生产的广泛推广和应用，郝启堂不但解决了液态金属在充型过程中的流态问题和温度场控制问题，而且在充型加压过程的多样化、冶金质量控制等方面也取得了良好的效果。不同工艺节点的自动衔接在提高生产效率的同时，极大地减少了人为因素对铸件质量的影响，这对铸件质量的把控产生了极为正面的作用。此外，郝启堂对液态金属成形模具的CAD/CAM研究为汽车轻量化提供了保障条件，缩短了高性能新产品的研究周期。原位生成铝基复合材料的研究为改善传统铝铜合金铸造性能、提高产品可靠性及合格率提供了基础。

团队合影

以此为契机，郝启堂与国内众多的铸造企业建立起良好的合作关系，并根据企业的具体需求，为其研发出100余台套不同型号、不同功能的优质成形装备。郝启堂团队自主开发的成套控压成型铸造装备，凭借在汽车、航空、航天、高铁等工业领域内精密成型的优异表现，获得了相关企业的广泛认可，在国内市场占有率达到了80%以上。与此同时，郝启堂团队积极促进了行业技术进步，不断降低铸造过程中造成的能耗浪费，以高度集成，符合绿色化、智能化发展要求且满足企业需求的新型设备，推进铸造行业的转型升级，有效帮助传统企业实现技术改造，使得多个因环保等问题面临倒闭的企业起死回生，并大大改善了工作环境和职工福利。在孵化新企业、增加就业岗位、促进产业升级方面也起到了良好的推动作用。

据合作企业反馈，在与郝启堂合作之前，因为技术水平不达标，设备的调试可能就要花去20天的时间。如今利用郝启堂研究的技术，设备可以实现“零调试”，“今天下午装好了，明天上午就可以投入生产”。他所带领的团队也因此声名在外，深受企业青睐。如果有新建企业或有一些新的特殊工艺要求，这些企业也会主动找到郝启堂团队进行合作。难怪郝启堂会骄傲地说：“这条连接高校和企业的产业化之路，我们走通了。”

谈及与企业的关系，郝启堂坦言：“我的做事风格比较‘企业化’。比起实验室，我更熟悉的地方是企业车间、铸造现场。能为企业解决多年遗留的老大难问题，是一件很有成就感的事。”

在路上：“要有一两件拿得出手的事”

从研20余年，郝启堂鲜少沮丧低落。面对并不平坦的研究之路，这个耿直的西北汉子总是说：“我是个乐观之人，我没什么困难。什么困难对我来讲都不是什么难事。”在郝启堂看来，再难的问题，只要看准了核心的问题，抓住这个核心钻研下去，假以时日，必能有一个结果。只要把方向搞准了，再难的事情，总会有落地和解决的一天。一些旁人为之蹙眉的“难”，于郝启堂来说，更像是有趣的游戏，他乐在其中。越难的课题、越具有挑战性的项目，他做起来越是充满干劲。他坚信，“上下求索”的热情和“刨根问底”的勇气，是攻克难关的“必备品”，遇到困难只会往后缩，是断然没有什么好结果的。

这份质朴的情感，也被郝启堂带到了团队建设的过程中。“从实践中来，到实践中去”，是他对团队年轻教师和学生的第一要求，“到企业中去”的研究传统被他继承下来并发扬光大。以郝启堂的经验来说，贴近实际需求、提升动手能力、培养科学嗅觉，是一个循序渐进的过程。在这个过程中，队伍里的年轻人会慢慢摒弃“娇”“骄”二气，在“上手干活”的同时逐渐触摸到行业发展的脉络，并在其中捕捉新的科研闪光点。勤奋肯干，加之学生扎实的理论基础，郝启堂培养出一批精于学术、强于实践的复合型人才。他们在进入实际工作后，收获了用人单位的一致好评，这让郝启堂感到十分欣慰。

在铸造行业干了一辈子，郝启堂从未觉得这是一个“夕阳产业”。特别是进入21世纪以来，划时代的创新成果不断涌现，铸造行业正向着智能铸造的方向大步迈进。随着工业4.0时代的到来、工业智能化水平的提高，我国由铸造大国迈向铸造强国的改革浪潮方兴未艾。《中国制造2025》行动纲领中明确提出，要加快推进铸造行业供给侧结构性改革，打造铸造行业提质增效的升级版，走资源节约型、环境友好型发展之路，适应制造强国战略。可以预见，有“机械工业之母”称号的铸造行业还有很大的发展空间。对此，郝启堂深有感触，在团队近些年的相关研究中，铸钢、铸铜、钛合金等材料的控压成形技术已被纳入研究范畴，在人工智能和图像技术的帮助下，这些新型材料已在制造装备方向呈现出很多可能，团队在材料的多样性、新属性的挖掘、新技术的研究推广方面均有建树，这让他对行业长足发展的信心更增加几分。

“铸造行业的前景远不止于此，未来它进步的步伐必然会越来越大。”郝启堂说，“对于我的团队来说，目前要做的就是积极响应国家‘质量和品牌战略、创新驱动发展、绿色铸造战略、结构优化战略、精益管理战略、人才培养战略’的六大发展战略，抓紧布局，实现企业化、细节化、可持续化发展。同时建立链条，将产品升级和产品落地这两个阶段有效地联系起来，让研究不落伍、技术不落后、产品不断档。距离我退休还有一些时间，相信我可以在铸造研究的路上再做些事。在我看来，一辈子做事情也好、做科学研究也好，只要有那么一项两项有自己知识产权的东西能够拿在手里，人就会有底气，这就是自主知识产权带来的巨大改变。做事只要能踏踏实实，哪怕只有一点两点，有一定先进性和水准，都能感受到以后发展的路子很宽。”