基于多參數(shù)變量的鋁合金熱處理集成管控工藝知識(shí)庫(kù)構(gòu)架

劉 琦, 萬(wàn)茹濤, 種永剛, 李沐天, 曲 明

(1. 中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司, 陜西 西安 710089;2. 東軟集團(tuán)股份有限公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110179)

隨著航空航天行業(yè)的快速發(fā)展,新材料、新工藝、新方法的不斷投入與新機(jī)項(xiàng)目的啟動(dòng),鋁合金零件的集成化、整體化及復(fù)雜化成為必然趨勢(shì)。熱處理通過(guò)改善材料內(nèi)部組織而賦予產(chǎn)品高強(qiáng)度、更好的工程力學(xué)性能、更長(zhǎng)的服役壽命,是決定成品性能、壽命和可靠性的關(guān)鍵特殊過(guò)程與制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的核心要素。熱處理作為特種工藝,受材料尺寸規(guī)格特性、工藝參數(shù)、設(shè)備條件、檢測(cè)方法差異性制約,現(xiàn)有設(shè)備與技術(shù)已然不能滿(mǎn)足信息化建設(shè)的發(fā)展需求,迫切需要進(jìn)行設(shè)備和產(chǎn)能技術(shù)的提升,智能集成化實(shí)現(xiàn)工藝監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)化、質(zhì)量監(jiān)測(cè)與控制一體化、工藝參數(shù)自動(dòng)收發(fā)等是企業(yè)信息發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。

熱處理集成管控工藝知識(shí)庫(kù)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化管理控制,可對(duì)熱處理車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和過(guò)程質(zhì)量集中監(jiān)控,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握設(shè)備運(yùn)行情況[3]。能與車(chē)間MES等其他信息系統(tǒng)聯(lián)結(jié),在系統(tǒng)中完成工件熱處理工序的全流程管控,確保加工流程中實(shí)現(xiàn)所有資源的合理調(diào)配,避免了加熱設(shè)備與時(shí)間排布上的浪費(fèi)。熱處理集成管控工藝知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)加熱設(shè)備的集中控制,改變過(guò)去傳統(tǒng)的單依靠最終檢驗(yàn)被動(dòng)把關(guān)來(lái)保證質(zhì)量的觀念和制度,實(shí)行以預(yù)防為主、預(yù)防與檢驗(yàn)相結(jié)合的主動(dòng)控制質(zhì)量保證模式,把質(zhì)量把關(guān)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到熱處理過(guò)程控制上,把質(zhì)量缺陷消滅在熱處理過(guò)程中。

1 熱處理信息化管控系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

航空熱處理整爐成批量投入、材料種類(lèi)多、工藝復(fù)雜多樣、質(zhì)量控制嚴(yán)格、過(guò)程記錄可追溯,為實(shí)現(xiàn)熱處理質(zhì)量監(jiān)控與生產(chǎn)一體化和提高排產(chǎn)精益管理效率,因此設(shè)計(jì)一個(gè)基于航空材料規(guī)范、熱處理規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和工藝實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),且能實(shí)現(xiàn)與車(chē)間生產(chǎn)MES等排產(chǎn)系統(tǒng)融合的熱處理工藝知識(shí)庫(kù)極為迫切?；诖?創(chuàng)建熱處理信息化管控系統(tǒng),推動(dòng)熱處理數(shù)字化轉(zhuǎn)型,是實(shí)現(xiàn)分散的熱處理爐集中監(jiān)控和管理、熱處理工藝規(guī)程數(shù)據(jù)化轉(zhuǎn)換、計(jì)量臺(tái)賬的管理、熱處理原始記錄、曲線的無(wú)紙化存儲(chǔ)和讀取,與制造執(zhí)行系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)等系統(tǒng)進(jìn)行信息共享的關(guān)鍵基石[4-5]。

熱處理信息化管控系統(tǒng)采用集散式控制系統(tǒng)(Distributed control system)[6-7],利用通信網(wǎng)絡(luò),聯(lián)結(jié)中控系統(tǒng)、加熱設(shè)備、顯示和數(shù)據(jù)記錄,實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的集中管理、分散控制,即采用具有PLC功能的智能數(shù)字化儀表通過(guò)光纖網(wǎng)線通訊,使中央控制系統(tǒng)集中實(shí)現(xiàn)對(duì)分散加熱設(shè)備的過(guò)程控制,系統(tǒng)組成如圖1所示。中央控制系統(tǒng)可對(duì)接車(chē)間生產(chǎn)排產(chǎn)管理、計(jì)量系統(tǒng)等服務(wù)平臺(tái),實(shí)際生產(chǎn)時(shí),操作者可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的操作終端錄入零件信息并調(diào)取工藝知識(shí)庫(kù)下發(fā)任務(wù),設(shè)備過(guò)程參數(shù)和操作過(guò)程記錄將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸保存到數(shù)據(jù)庫(kù),同時(shí)將由電子大屏實(shí)時(shí)顯示設(shè)備過(guò)程狀況。其中,數(shù)字化儀表可實(shí)現(xiàn)接收溫度傳感器信息控制加熱設(shè)備時(shí),同時(shí)將其控制參數(shù)和生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集都反饋,并由上一級(jí)的中央控制系統(tǒng)管理,并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸并保存到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)記錄與儲(chǔ)存。

圖1 熱處理信息化系統(tǒng)組成Fig.1 Component of heat treatment information system

2 熱處理集成管控工藝知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱處理集成管控工藝知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)化是選取特定熱處理判定規(guī)則,將熱處理工藝流程轉(zhuǎn)化為信息化數(shù)據(jù)列,并依據(jù)判定規(guī)則,對(duì)接生產(chǎn)MES系統(tǒng)選取相同的熱處理工藝制度的產(chǎn)品合并同加熱爐進(jìn)行熱處理。

航空鋁合金熱處理主要有固溶處理、時(shí)效、完全退火與不完全退火,為使產(chǎn)品在加工流程中分階段、按需要獲得可塑性和熱處理組織與性能強(qiáng)化,每件產(chǎn)品會(huì)經(jīng)過(guò)一次或多次熱處理,但決定產(chǎn)品熱處理組織和性能的關(guān)鍵因素是加熱設(shè)備升溫、保溫、冷卻過(guò)程的參數(shù),而這些參數(shù)因加工材料類(lèi)型各異,因此可以以航空鋁合金材料類(lèi)型與熱處理工藝類(lèi)型為參數(shù)變量對(duì)熱處理工藝知識(shí)庫(kù)進(jìn)行構(gòu)建建立。

2.1 以鋁合金材料類(lèi)型為變量

航空鋁合金材料不同制品形式時(shí)熱處理工藝過(guò)程會(huì)產(chǎn)生差異,構(gòu)建工藝知識(shí)庫(kù)時(shí)首先需要以鋁合金材料類(lèi)型為變量,構(gòu)建不同材料的熱處理工藝路線。選取材料規(guī)范為AMS-QQ-A-200/11的7075鋁合金的空氣爐處理制度為例,其熱處理制度由固溶處理與時(shí)效處理組成,分別見(jiàn)表1與表2,可以看出即使是相同材料也存在不同制品形式,而不同制品形式下的熱處理工藝過(guò)程也各不同,結(jié)合材料牌號(hào)與制品形式,即鋁合金材料類(lèi)型,例如7075鍛件、7075薄板和中厚板、7075厚板和管材、7075擠壓型材等,以鋁合金材料類(lèi)型劃分后,合并相同的熱處理工藝參數(shù)過(guò)程,再對(duì)其各自工藝參數(shù)過(guò)程構(gòu)建知識(shí)庫(kù)。

表1 7075鋁合金空氣爐固溶處理制度

表2 7075鋁合金空氣爐時(shí)效處理制度

2.2 以熱處理工藝類(lèi)型為變量

基于上述,依據(jù)熱處理工藝方法將7075鋁合金空氣爐處理過(guò)程合并為固溶路線、單級(jí)時(shí)效路線、雙級(jí)時(shí)效路線、完全退火路線與不完全退火路線,然后依據(jù)熱處理工藝類(lèi)型劃分工步過(guò)程,如表3所示。實(shí)際生產(chǎn)中,產(chǎn)品需要依據(jù)厚度、是否包鋁等判定條件輸出對(duì)應(yīng)的溫度、時(shí)間與加入的輔助試劑等規(guī)則,所以可對(duì)劃分的工步中依次輸入需要判定的規(guī)則,以實(shí)現(xiàn)不同熱處理工藝類(lèi)型結(jié)構(gòu)下的工藝知識(shí)庫(kù)初步數(shù)據(jù)化。

表3 空氣爐熱處理工藝類(lèi)型工步劃分

7075板材厚度≤0.51 mm的O態(tài)熱處理到T76態(tài)時(shí),需要依次經(jīng)過(guò)固溶處理與雙級(jí)時(shí)效,熱處理制度見(jiàn)表4。經(jīng)過(guò)提取厚度規(guī)則后,最終可轉(zhuǎn)化成表5的工藝知識(shí)庫(kù),實(shí)現(xiàn)中央控制系統(tǒng)根據(jù)工藝知識(shí)庫(kù)參數(shù)對(duì)加熱爐的過(guò)程集成控制。

表4 7075合金-O-T76熱處理工藝參數(shù)

表5 7075合金板材O-T76空氣爐的工藝知識(shí)庫(kù)

2.3 多條件判定規(guī)則

鋁合金熱處理工藝參數(shù)的選取往往會(huì)受多種因素的影響,這需要在上述工藝類(lèi)型中使用多條件規(guī)則判定工藝參數(shù)值。例如材料規(guī)范是AMS-QQ-A-200/11的7050-O1態(tài)自由鍛件(毛坯厚度≤50.8 mm,零件厚度≤12.7 mm)熱處理至T74狀態(tài)時(shí),需要經(jīng)過(guò)(471±6) ℃的固溶處理與人工時(shí)效,其中固溶處理的保溫時(shí)間需要在表6所示的基礎(chǔ)保溫時(shí)間上按每英寸“鍛造”厚度追加1 h,但保溫時(shí)間最少為2 h。此時(shí)7050鍛件在固溶處理時(shí)不僅與零件厚度有關(guān),還與毛坯厚度有關(guān),便需要提取第二個(gè)條件選項(xiàng)毛坯厚度,轉(zhuǎn)化成表7的多條件判定規(guī)則下的鍛件固溶處理知識(shí)庫(kù)。

表6 7050合金自由鍛件固溶處理基礎(chǔ)保溫時(shí)間

表7 7050合金自由鍛件空氣爐的固溶處理工藝知識(shí)庫(kù)

3 熱處理工藝曲線可視化

衡量熱處理生產(chǎn)質(zhì)量是否達(dá)標(biāo),其生產(chǎn)的過(guò)程中質(zhì)量控制與性能檢測(cè)尤為重要,因此為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制預(yù)防與過(guò)程控制一體化,則需要確保設(shè)備加熱過(guò)程曲線與工藝參數(shù)保持一致,熱處理工藝曲線可視化則可直觀地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的對(duì)熱處理特殊過(guò)程的監(jiān)測(cè),能在出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)采取有效措施。選取7075合金板材,厚度1.27 mm,在O-T62空氣爐中進(jìn)行熱處理為例,其熱處理工藝流程是先(494±5) ℃固溶保溫(35±2) min后,人工時(shí)效(121±6) ℃保溫(24±0.1) h,利用熱處理信息化系統(tǒng)調(diào)取熱處理工藝知識(shí)庫(kù)參數(shù),下發(fā)任務(wù)后實(shí)現(xiàn)的加熱過(guò)程記錄曲線如圖2所示。經(jīng)過(guò)對(duì)比工藝知識(shí)庫(kù)參數(shù)與生產(chǎn)曲線記錄可知,曲線趨勢(shì)與工藝設(shè)定參數(shù)不超過(guò)固溶-2.6/+1.7 ℃與時(shí)效-4.9/+2.4 ℃,滿(mǎn)足固溶±5 ℃與時(shí)效±6 ℃的允許溫度偏差范圍。

圖2 7075合金-O-T62生產(chǎn)過(guò)程曲線記錄(a)固溶處理;(b)人工時(shí)效Fig.2 Production process curve recording of 7050 alloy-O-T62(a) solution treatment; (b) artificial aging

4 結(jié)論

依據(jù)熱處理信息化管控系統(tǒng)的鋁合金熱處理集成管控工藝知識(shí)庫(kù)構(gòu)架,有益于推進(jìn)利用集散式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中央控制分散式加熱設(shè)備改造的實(shí)施,通過(guò)選取鋁合金材料類(lèi)型與工藝類(lèi)型為參數(shù)變量對(duì)熱處理工藝知識(shí)庫(kù)進(jìn)行構(gòu)建,結(jié)合生產(chǎn)需求采用多條件判定規(guī)則,科學(xué)合理地實(shí)現(xiàn)了熱處理工藝過(guò)程參數(shù)化、數(shù)據(jù)化轉(zhuǎn)化。

1) 本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了與車(chē)間排產(chǎn)系統(tǒng)的對(duì)接,可在信息化系統(tǒng)上完成對(duì)自零件來(lái)料加工、熱工藝制度調(diào)取、熱處理過(guò)程控制與監(jiān)控、熱處理質(zhì)量信息記錄的一體化管理,增加了熱處理過(guò)程合并的科學(xué)性并提高了生產(chǎn)周轉(zhuǎn)效率。

2) 經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程曲線記錄驗(yàn)證表明,利用中央控制系統(tǒng)對(duì)熱處理過(guò)程的控制溫度差異性小,滿(mǎn)足熱處理工藝參數(shù)的設(shè)定溫度要求。

3) 本項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)促進(jìn)特殊熱處理過(guò)程生產(chǎn)的信息化、集成化、質(zhì)量監(jiān)控與過(guò)程管理一體化具有理論和實(shí)踐性的意義。