基于多參數變量的鋁合金熱處理集成管控工藝知識庫構架

劉 琦, 萬茹濤, 種永剛, 李沐天, 曲 明

(1. 中航西安飛機工業集團股份有限公司, 陜西 西安 710089;2. 東軟集團股份有限公司, 遼寧 沈陽 110179)

隨著航空航天行業的快速發展,新材料、新工藝、新方法的不斷投入與新機項目的啟動,鋁合金零件的集成化、整體化及復雜化成為必然趨勢。熱處理通過改善材料內部組織而賦予產品高強度、更好的工程力學性能、更長的服役壽命,是決定成品性能、壽命和可靠性的關鍵特殊過程與制造業競爭的核心要素。熱處理作為特種工藝,受材料尺寸規格特性、工藝參數、設備條件、檢測方法差異性制約,現有設備與技術已然不能滿足信息化建設的發展需求,迫切需要進行設備和產能技術的提升,智能集成化實現工藝監控網絡化自動化、質量監測與控制一體化、工藝參數自動收發等是企業信息發展的必然趨勢[1-2]。

熱處理集成管控工藝知識庫結合計算機技術進行數字化管理控制,可對熱處理車間現場設備運行狀態和過程質量集中監控,實時動態掌握設備運行情況[3]。能與車間MES等其他信息系統聯結,在系統中完成工件熱處理工序的全流程管控,確保加工流程中實現所有資源的合理調配,避免了加熱設備與時間排布上的浪費。熱處理集成管控工藝知識庫的構建,實現了計算機系統對加熱設備的集中控制,改變過去傳統的單依靠最終檢驗被動把關來保證質量的觀念和制度,實行以預防為主、預防與檢驗相結合的主動控制質量保證模式,把質量把關重點轉移到熱處理過程控制上,把質量缺陷消滅在熱處理過程中。

1 熱處理信息化管控系統平臺開發

航空熱處理整爐成批量投入、材料種類多、工藝復雜多樣、質量控制嚴格、過程記錄可追溯,為實現熱處理質量監控與生產一體化和提高排產精益管理效率,因此設計一個基于航空材料規范、熱處理規范標準和工藝實踐經驗,且能實現與車間生產MES等排產系統融合的熱處理工藝知識庫極為迫切。基于此,創建熱處理信息化管控系統,推動熱處理數字化轉型,是實現分散的熱處理爐集中監控和管理、熱處理工藝規程數據化轉換、計量臺賬的管理、熱處理原始記錄、曲線的無紙化存儲和讀取,與制造執行系統、質量管理系統等系統進行信息共享的關鍵基石[4-5]。

熱處理信息化管控系統采用集散式控制系統(Distributed control system)[6-7],利用通信網絡,聯結中控系統、加熱設備、顯示和數據記錄,實現對生產過程的集中管理、分散控制,即采用具有PLC功能的智能數字化儀表通過光纖網線通訊,使中央控制系統集中實現對分散加熱設備的過程控制,系統組成如圖1所示。中央控制系統可對接車間生產排產管理、計量系統等服務平臺,實際生產時,操作者可通過現場的操作終端錄入零件信息并調取工藝知識庫下發任務,設備過程參數和操作過程記錄將通過網絡傳輸保存到數據庫,同時將由電子大屏實時顯示設備過程狀況。其中,數字化儀表可實現接收溫度傳感器信息控制加熱設備時,同時將其控制參數和生產過程的數據采集都反饋,并由上一級的中央控制系統管理,并將實時數據傳輸并保存到服務器數據庫中,實現生產設備過程參數的自動記錄與儲存。

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

2 熱處理集成管控工藝知識庫結構設計

熱處理集成管控工藝知識庫數據化是選取特定熱處理判定規則,將熱處理工藝流程轉化為信息化數據列,并依據判定規則,對接生產MES系統選取相同的熱處理工藝制度的產品合并同加熱爐進行熱處理。

航空鋁合金熱處理主要有固溶處理、時效、完全退火與不完全退火,為使產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化,每件產品會經過一次或多次熱處理,但決定產品熱處理組織和性能的關鍵因素是加熱設備升溫、保溫、冷卻過程的參數,而這些參數因加工材料類型各異,因此可以以航空鋁合金材料類型與熱處理工藝類型為參數變量對熱處理工藝知識庫進行構建建立。

2.1 以鋁合金材料類型為變量

航空鋁合金材料不同制品形式時熱處理工藝過程會產生差異,構建工藝知識庫時首先需要以鋁合金材料類型為變量,構建不同材料的熱處理工藝路線。選取材料規范為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效處理組成,分別見表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程也各不同,結合材料牌號與制品形式,即鋁合金材料類型,例如7075鍛件、7075薄板和中厚板、7075厚板和管材、7075擠壓型材等,以鋁合金材料類型劃分后,合并相同的熱處理工藝參數過程,再對其各自工藝參數過程構建知識庫。

表1 7075鋁合金空氣爐固溶處理制度

表2 7075鋁合金空氣爐時效處理制度

2.2 以熱處理工藝類型為變量

基于上述,依據熱處理工藝方法將7075鋁合金空氣爐處理過程合并為固溶路線、單級時效路線、雙級時效路線、完全退火路線與不完全退火路線,然后依據熱處理工藝類型劃分工步過程,如表3所示。實際生產中,產品需要依據厚度、是否包鋁等判定條件輸出對應的溫度、時間與加入的輔助試劑等規則,所以可對劃分的工步中依次輸入需要判定的規則,以實現不同熱處理工藝類型結構下的工藝知識庫初步數據化。

表3 空氣爐熱處理工藝類型工步劃分

7075板材厚度≤0.51 mm的O態熱處理到T76態時,需要依次經過固溶處理與雙級時效,熱處理制度見表4。經過提取厚度規則后,最終可轉化成表5的工藝知識庫,實現中央控制系統根據工藝知識庫參數對加熱爐的過程集成控制。

表4 7075合金-O-T76熱處理工藝參數

表5 7075合金板材O-T76空氣爐的工藝知識庫

2.3 多條件判定規則

鋁合金熱處理工藝參數的選取往往會受多種因素的影響,這需要在上述工藝類型中使用多條件規則判定工藝參數值。例如材料規范是AMS-QQ-A-200/11的7050-O1態自由鍛件(毛坯厚度≤50.8 mm,零件厚度≤12.7 mm)熱處理至T74狀態時,需要經過(471±6) ℃的固溶處理與人工時效,其中固溶處理的保溫時間需要在表6所示的基礎保溫時間上按每英寸“鍛造”厚度追加1 h,但保溫時間最少為2 h。此時7050鍛件在固溶處理時不僅與零件厚度有關,還與毛坯厚度有關,便需要提取第二個條件選項毛坯厚度,轉化成表7的多條件判定規則下的鍛件固溶處理知識庫。

表6 7050合金自由鍛件固溶處理基礎保溫時間

表7 7050合金自由鍛件空氣爐的固溶處理工藝知識庫

3 熱處理工藝曲線可視化

衡量熱處理生產質量是否達標,其生產的過程中質量控制與性能檢測尤為重要,因此為實現質量控制預防與過程控制一體化,則需要確保設備加熱過程曲線與工藝參數保持一致,熱處理工藝曲線可視化則可直觀地實現實時的對熱處理特殊過程的監測,能在出現異常情況時及時采取有效措施。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,人工時效(121±6) ℃保溫(24±0.1) h,利用熱處理信息化系統調取熱處理工藝知識庫參數,下發任務后實現的加熱過程記錄曲線如圖2所示。經過對比工藝知識庫參數與生產曲線記錄可知,曲線趨勢與工藝設定參數不超過固溶-2.6/+1.7 ℃與時效-4.9/+2.4 ℃,滿足固溶±5 ℃與時效±6 ℃的允許溫度偏差范圍。

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

4 結論

依據熱處理信息化管控系統的鋁合金熱處理集成管控工藝知識庫構架,有益于推進利用集散式控制系統實現中央控制分散式加熱設備改造的實施,通過選取鋁合金材料類型與工藝類型為參數變量對熱處理工藝知識庫進行構建,結合生產需求采用多條件判定規則,科學合理地實現了熱處理工藝過程參數化、數據化轉化。

1) 本項目實現了與車間排產系統的對接,可在信息化系統上完成對自零件來料加工、熱工藝制度調取、熱處理過程控制與監控、熱處理質量信息記錄的一體化管理,增加了熱處理過程合并的科學性并提高了生產周轉效率。

2) 經過實際生產過程曲線記錄驗證表明,利用中央控制系統對熱處理過程的控制溫度差異性小,滿足熱處理工藝參數的設定溫度要求。

3) 本項目的實施對促進特殊熱處理過程生產的信息化、集成化、質量監控與過程管理一體化具有理論和實踐性的意義。