航空鍛造行業(yè)智能制造方向探討

文／王榮·陜西宏遠航空鍛造有限責任公司

國務院印發(fā)的《中國制造2025》中強調“制造業(yè)是國民經濟的主體，是立國之本，興國之器，強國之基”。制造業(yè)發(fā)展總體規(guī)劃綱要中提出目標要讓我國在2025 年邁入制造強國的行列。航空工業(yè)在國家制造業(yè)中有著舉足輕重的地位，特別是航空鍛造業(yè)一直為航空裝備提供鋼筋鐵骨，是材料工業(yè)、裝備制造業(yè)的重要基礎之一，但當前行業(yè)發(fā)展現狀與《中國制造2025》綱要中提出的要求相差甚遠。本文從目前航空鍛造業(yè)的現狀、存在的問題出發(fā)，探討了未來航空鍛造行業(yè)智能化制造模式。

航空鍛造行業(yè)現狀

目前，為我國航空工業(yè)提供鍛造服務業(yè)務的廠家主要有陜西宏遠、貴州安大、無錫卓越、無錫航亞、德陽二重、航宇、派克、三角防務等單位，個別鋼廠以及主機科研院所也提供一部分鍛造科研業(yè)務，不同于一般傳統民用鍛造業(yè)的流水線、大規(guī)模、大批量生產模式，航空鍛造行業(yè)擁有小批量、多品種、高要求的產業(yè)特點。21 世紀初在國家軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略提出前，航空鍛造企業(yè)作為我國傳統軍工重工業(yè)產業(yè)的代表，大部分企業(yè)的生產管理模式基本是粗放式、離散型管理模式，普遍存在產業(yè)創(chuàng)新性不夠，能源利用率差，信息化水平不足，質量效益不高等問題，具體到鍛造設備、生產工藝、產線布局、人員能力等方面普遍還存在“粗、散、亂、差”的情況，隨著現代航空業(yè)的發(fā)展，此模式已經無法適應航空鍛件產品生產過程中一致性管控、質量穩(wěn)定性及智能化制造的發(fā)展要求。

主設備方面

航空鍛造行業(yè)(中航重機為龍頭)作為重資產類產業(yè)，其主要的鍛造設備包括了模鍛液壓機、精鍛機、快鍛機、電液錘、對擊錘、空氣錘、環(huán)軋機等，設備噸位的大小直接關聯企業(yè)產能的大小。除近幾年二重新安裝的800MN 液壓機，陜西宏遠新安裝的200MN液壓機外，其余廠家大部分設備自動化及有效利用率還較為低下，基本無法實現智能化的發(fā)展要求。

究其原因，筆者認為，航空鍛造產業(yè)前期所需投資大，見效慢，而且還有較高的行業(yè)技術壁壘，所以產業(yè)一直為少數幾家國有專業(yè)化企業(yè)控制，在國家“軍民融合”發(fā)展戰(zhàn)略提出前，民營企業(yè)涉足較少。

因為計劃經濟的影響，產業(yè)內各企業(yè)競爭力較弱，企業(yè)專業(yè)化設備更新速度緩慢，也就最終成為行業(yè)發(fā)展受阻的重要因素之一。如陜西宏遠現在還在一直使用20 世紀60 年代建廠時就安裝的對擊錘、空氣錘及油壓機等鍛壓設備，但近幾年隨著用戶要求的不斷提高，因設備的精度不夠，打擊能量控制難、產品質量不穩(wěn)定無法滿足新型戰(zhàn)機最新技術要求。經過持續(xù)幾年統計分析發(fā)現，因鍛件表面質量、加工精度問題等導致的客戶抱怨也在逐年增加，在航空零部件加工精細化發(fā)展的要求下，這種矛盾會日益顯性化、劇烈化。如果不能提前謀局改變，未來將失去在航空鍛件領域的競爭力。

產線配套方面

航空鍛造業(yè)除核心鍛造工序外，還必須配套相應的鍛造加熱、熱表處理、模具制造、機械加工、理化檢測、質量保證等基本生產線單元。但在實際生產過程中，因為缺乏有效的控制能力，各生產單元間的配合效率一直較為低下。

如一般的航空鍛造企業(yè)在給主鍛造設備配置的幾臺加熱爐同時加熱過程中，基本都是由加熱操作工人工預估主設備可能的生產節(jié)拍，再調節(jié)不同加熱爐的加熱升溫速率與保溫時間。但是在實際生產過程中卻經常出現因人為計算、控制精度不高而造成的能源、材料等的浪費，更有甚者可能造成產品一致性差的結果。

再如在實際的鍛造過程中，對于關鍵參數(鍛造溫度、變形尺寸等)的監(jiān)控方面，也存在耗時、費力、人力資源成本高、控制能力差等問題。目前，成飛、西飛等主機廠由于業(yè)務整合需要大量剝離鍛造業(yè)務，這為中航重機所屬企業(yè)成為鍛造集中地創(chuàng)造了條件，所以對生產單元進行合理地產業(yè)布局調整與智能化升級改造，可極大地提升投入產出比、確保產品質量，為未來快速地增強企業(yè)競爭優(yōu)勢提供了保證。

管理方面

在當前制造業(yè)中要成為一個現代化的企業(yè)，先決條件就是必須擁有現代化的管理模式。但在現有的航空鍛造企業(yè)中普遍存在企業(yè)管理效率低、信息化管理水平差且覆蓋率低的實際情況。大部分企業(yè)生產管理數據的處理還是人工或半人工的狀態(tài)，缺乏現代企業(yè)管理中要求的基礎數據環(huán)境，而且在企業(yè)內部對管理信息的規(guī)范化、數據化、標準化方面做的遠遠不夠。中航重機作為母公司想收集或實時查看下屬企業(yè)的相關信息，目前條件不具備或者需要耗費大量的人力物力，這與現代化企業(yè)管理要求的效率和效益格格不入。

航空鍛造業(yè)智能化改進的設想

“兩化”融合是國家提出的未來發(fā)展方向，5G技術應用和物聯技術的拓展為未來智能制造提供支持和基礎。智能制造要求在生產過程中，將智能裝備通過有效的通信技術有機地聯系起來，結合鍛造行業(yè)實現產品工藝設計科學化、生產過程自動化、現場監(jiān)控實時化、分析改進智能化，通過收集生產過程中的各種數據并經過軟件系統進行處理分析，幫助企業(yè)管理者實現最優(yōu)的生產方案。近幾年，鍛造產業(yè)發(fā)展最好的企業(yè)就是以民用汽車鍛件生產加工為代表的大型汽車零部件企業(yè)(如陜汽重卡)，由于其產品批量大的特點，鍛件鍛造和機加產線自動化程度達到90%以上，已經基本實現了生產過程的無人工干預操作、自動化生產和自動化檢測等，這給航空鍛造行業(yè)提供了一個有效的參考。

航空鍛造企業(yè)要實現智能化制造，首先需要具備高效的“中樞神經系統”，即企業(yè)必須采用相應的信息化管理系統(中航重機已經開發(fā)信息化系統，初步具備這樣的模式)，逐步將原來粗放式、人工化的傳統流程型管理模式進行轉變。在訂單接收(輸入)、生產計劃分解、生產進度管理(處理)、庫存發(fā)貨(輸出)、售后信息處理(反饋)等環(huán)節(jié)，將過程控制的信息處理方式轉變?yōu)槔糜嬎銠C信息系統對企業(yè)所有資源進行整合、集成和管理，即使用企業(yè)資源計劃(ERP 系統)來處理企業(yè)管理過程中的物流、信息流、價值流。作為鍛造類企業(yè)來講，主要企業(yè)管理過程有三大模塊：生產過程控制(綜合生產計劃、作業(yè)計劃、輔助生產計劃等)、物料管理(原材料采購、輔料采購、庫存管理等)和財務管理(會計核算、財務分析、財務計劃等)。智能化管理模式就是利用企業(yè)資源管理系統，集成鍛造生產過程中的生產管理、質量管理、實驗室系統、工藝管理系統、能源管理系統、基礎標準數據庫等，實現鍛造企業(yè)整體資源的管理與配置，暢通企業(yè)生產管理過程中的“神經脈絡”。

針對品種多、批量小、數量少的問題，對鍛造生產及輔助設備進行智能化改造可以最直接提高鍛造生產過程中產品真實數據的積累，便于后續(xù)產品質量的分析改進提高；對鍛造輔助性設備進行智能化改造，可有效提高生產效率，改善勞動環(huán)境。如針對鍛造及熱處理工序中大批量的加熱爐進行爐群集中管理，將加熱參數設置，升溫速率控制，生產節(jié)拍協調，加熱過程記錄等統一進行處理，將原來20 臺加熱設備需要5 ～6 個人操作的傳統管理方式改變?yōu)橹灰粋€人即可全過程管控的新生產模式。另外，鍛造現場推廣省力裝置(裝夾機器人、機械臂)降低鍛工勞動強度；使用自動潤滑裝置，提高模具使用壽命；復雜形狀鍛件實現自動化測量，提高檢測準確率與效率。

未來鍛造模式的改進方向

自動化模式讓設備的自動化消除人為操作帶來的產品質量不穩(wěn)定的隱患；現場生產數據的自動化錄入，減少重復和人工記錄帶來的錯誤和大量重復勞動，為生產現場提高生產效率提供了可能。節(jié)拍管理模式結合精益化準時生產的管理，減少生產主設備的資源浪費、提高生產效率，為準時交付提供支持。

網絡化模式為各工序提供支持和信息，為工序間甚至外部供應商提供實時改進條件、方向和空間；為用戶提供提升的機會及生產工藝設計、質量等方面的支持。

智能化模式通過智能化、減少管理的冗余過程、優(yōu)化生產流程、數據信息共享和有效利用。

云計算模式為行業(yè)標準制造和標準編制提供數據積累，為質量問題改進提供預警。

單件生產模式(鍛造、熱處理和機加)將成為未來的主流方向，單件流的生產模式為流水線奠定基礎，也為柔性化制造針對多樣化用戶需求提供了支持。單件加熱模式的形成將會改變目前傳統的鍛造批和熱處理批的概念，勢必沖擊和引領行業(yè)的變革。

例如，改變目前加熱爐的加熱方式應該是作為鍛造企業(yè)主體提出來的責任和專利技術方向，目前應用的傳統箱式爐加熱方式將向著精細化、個性化的發(fā)展方向改變。在前端采取工藝設計和編制的CAPP 系統，通過網絡程序控制傳輸給單件連續(xù)加熱爐的模式成為可能，確保加熱爐系統在溫度和保溫時間達到工藝設計要求后才能自動開啟爐門，機器人夾持鍛造，鍛造設備數字化控制工藝參數(溫度、時間、變形量、變形速度等)，熱處理爐自動控制熱處理，機器人夾持操作冷卻(油冷、水冷、空冷)在工藝要求的時間、精度、準確度方面都能達到。

質量監(jiān)控模式的變化

目前，我們多數企業(yè)采取視頻監(jiān)控現場操作的方式、檢驗員現場監(jiān)控和檢驗的方式以及部分監(jiān)控軟件收集操作信息三種方式，這些方式都是各自孤立的、割裂的不同系統，沒有形成合力，所以無法快速地進行數據的預判和整合。

自動化裝備(鍛造設備和爐子)能夠自動收集相關的信息，涉及溫度監(jiān)控和變形量監(jiān)控，在大數據的統計模式下可以實時對比分析歷史數據并形成產品質量數據的趨勢分析。為現場實時糾正錯誤，提高質量和鞏固工藝成果提供依據。宏遠公司已初步實現爐群集中監(jiān)控系統的模式，但仍有很大的改進空間。

目前，熱工成形的尺寸監(jiān)控是一個技術難點，據悉清華大學已有這方面的高溫測量技術貯備，可以借鑒開發(fā)相應的監(jiān)控測量工具。低、中、高溫度測量也是目前的一個技術難點，福祿克公司買斷了美國一家光管公司的專利，可以生產手持或在線紅外測溫設備，宏遠公司已購置了兩臺定制手持測溫設備。

冷尺寸在線測量、自動測量和無線(有線)測量專用工具已經有了成套、成熟的設備和技術，但在鍛造行業(yè)的機加工序還應用甚少。

以上新模式下的監(jiān)控手段和技術的應用可以集成到公司的管理系統中，逐漸將紙質的檔案和記錄退出歷史舞臺，形成電子化記錄，為今后授權查閱、統計分析、技術提升、應用擴展提供基礎。

基礎研究

作為中國鍛造的重型企業(yè)，需要引領鍛造行業(yè)和熱加工行業(yè)的發(fā)展，但我們目前的基礎還比較薄弱，工業(yè)化和信息化結合的程度偏低，無法擔當國家和集團的重擔以及適應未來重點型號發(fā)展的步伐。

目前，要著手以鍛造行業(yè)為重心的基礎研究工作，形成以鍛造、熱處理為中心的工藝技術、設備(鍛造、加熱爐)、測量(熱冷尺寸監(jiān)控和測量)、管理(例如批的管理)、材料、標準等系統性策劃，形成行業(yè)權威、專利，控制并帶動與鍛造相關聯的所有上下游企業(yè)，替代目前被動接受用戶設計要求來生產鍛件的模式，研究內容見表1。

以上可以擴展為按照不同設備、不同材料種類的技術標準族和管理標準族，并對照當前現有的GB、GJB、ASTM、EN 等標準體系查漏補缺，起草具有自主專利技術的標準，為企業(yè)未來的發(fā)展提供動力。

人才隊伍建設

從未來公司發(fā)展的要求來看，真正實現企業(yè)競爭力的中堅力量是高素質和能力的人員，目前公司沒有系統的專家隊伍，至少沒有在行業(yè)內有影響力的專家隊伍。專家隊伍的組建和培養(yǎng)不是一朝一夕實現的，需要時間和歷練，更需要行業(yè)內的認可。我們培養(yǎng)的專家隊伍不能光在重機下屬公司內知名，還要在航空業(yè)內、國內知名才行。專家隊伍不能僅是技術、質量類專家，應該系統地籌劃和培養(yǎng)方方面面的管理專家隊伍，比如精益專家、AOS 專家、信息化專家，通過專家名片宣傳和提升公司乃至行業(yè)的企業(yè)形象。

結束語

目前航空鍛造業(yè)存在管理模式粗放、產業(yè)創(chuàng)新性不足、能源利用率差、信息化水平不足，質量效益不高等問題，與國家《中國制造2025》要求差距很大。目前智能化裝備和自動化信息技術已經普及應用，對鍛造行業(yè)未來的應用不存在問題，航空鍛造業(yè)智能化制造有可行性。未來國防裝備、航空裝備等會對鍛造產品的技術要求越來越高，這為我們自身提升提供了動力和源泉，同時也可以借助國防技改等項目進行更新改造。

工業(yè)4.0 的制造要求已經普及，也推動了各個行業(yè)的發(fā)展，5G 物聯網技術應用，我們不進則退，未來無法和主機廠、發(fā)動機廠進行業(yè)務和管理的信息化、智能化對接。

網絡化云計算已經應用于多個行業(yè)和領域，為產品質量、企業(yè)經營提供預警，為裝備建設提供云數據支持，為行業(yè)發(fā)展大數據平臺提供保證。

航空鍛造從業(yè)人員要解放思想，在思維模式、管理模式等方面不斷創(chuàng)新，才能順應國家戰(zhàn)略發(fā)展要求。