圖1、典型冷室壓鑄過程

壓鑄，又稱為高壓鑄造，是一種近些年來被廣泛應用于汽車、航空航天和電子工業中的近凈成形技術。在壓鑄過程中，熔融金屬（一般為輕合金）在沖頭的作用下以高壓、高速充填型腔，并快速冷卻，形成最終的鑄件。

壓鑄一般分為冷室壓鑄和熱室壓鑄，冷室壓鑄主要應用于大型零部件的產生，比如汽車零部件、通訊基站冷卻部件等；而熱室壓鑄則廣泛應用于小型電子或3C產品的生產過程，比如USB接頭、筆記本殼體等。

壓鑄具有很好的自動化基礎

與普通鑄造過程相比，壓鑄的特點是高速、高壓，所生產的產品一般為輕合金薄壁件，但壓鑄技術也被應用于純銅轉子的生產，與鋁、鎂合金不同，純銅的熔點很高，因此純銅壓鑄過程中模具壽命短是一個很大的問題。

在所有鑄造技術中，壓鑄的自動化程度最高。現代的壓鑄企業采用自動化壓鑄島技術，該技術將壓鑄機（一般為幾十甚至上百臺）高度集成，形成了完全自動化的生產過程。同時，采用智能工廠技術，將壓鑄機的生產過程進行監控，對每一臺的壓鑄機的性能和狀態進行實時把握，通過大數據測量和實時反饋，及時對壓鑄機生產過程進行調整，以保證產品最終質量。

圖2、典型壓鑄汽車結構件

壓鑄模具溫度的實時控制就是一個簡單的例子：

以冷室壓鑄為例，在生產過程中由于高溫液態金屬不斷地充填型腔，使得模具溫度不斷升高。此時，為了保證模具溫度不至于過熱，一般會采用冷卻水通入模具以進行冷卻。如果冷卻水管路設計合理，一般來講，我們可以通過控制冷卻水的溫度和流速來保證模具溫度達到所謂的熱平衡。從這個角度來看，我們可以設計冷卻水路反饋系統，在得知模具溫度的實際數值之后，通過計算和即時反饋系統控制冷卻水的溫度和流速，并最終得以控制模具的溫度。這是現階段壓鑄智能工廠的一個典型應用。

事實上，上述智能控制的案例只是“智能工廠”中一個很小的應用場景，實現真正意義上的“智能工廠”需要采集大量的生產實時數據，其中起決定性作用的是與產品質量相關的數據，比如密度、氣孔和氧化夾雜等，因為這些數據是客戶最關心的指標，也是衡量一個鑄件是否合格的核心指標。而現階段，這些最關鍵的指標卻是最難獲得的，因為對于金屬合金制品來講，我們無法直接觀測產品內部的結構。大部分的廠家采用的方式是抽查鑄件，在客戶明確規定的重點區域進行切割，然后直接觀測是否存在問題；另一種方法是采用二維X射線檢測技術，對抽樣鑄件的局部位置進行掃描和觀測，這種方法最大的問題在于將三維的鑄件信息壓縮到二維的切片上，觀察得到的信息不能完整反應實際情況。

圖3歐洲MUSIC項目智能工廠實施方案

鑄件內部質量監控

隨著汽車工業的不斷發展，對零部件質量的要求越來越高，大的汽車生產商不斷制定出針對零部件內部質量的要求，定量地規定零部件內部缺陷可以存在的標準。在這種情況下，零部件供應商在生產過程中，必須能夠實時地檢測并標定所有鑄件內部的缺陷分布情況，并對比標準以評定鑄件是否滿足要求。

那么如何正確地觀測并記錄鑄件內部的缺陷呢？現有技術中最好的技術是計算機斷層掃描，也就是我們俗稱的CT技術。CT技術已經被廣泛地應用在醫療領域，將CT技術應用于工業檢測還是近幾年剛興起的技術。

將CT技術應用于鑄件內部質量的檢測，必須滿足以下幾個要求：

第一，檢測的速度必須足夠高，以配合鑄件的實時生產過程；

第二，檢測所獲得的圖像質量必須足夠好，以配合后續軟件對圖像的精確識別；

第三，在保證精度的情況下，識別圖像的軟件或算法必須足夠快，從而不至于拖延生產進度。

其中，前兩個要求是針對CT檢測本身提出的，而最后一個則是針對檢測軟件或算法提出的要求。快速檢測CT設備（Speed-Scan）已經被德國大眾公司用于實際鑄件的檢測了。但是縱觀國內壓鑄產業，使用實時CT技術對鑄件質量進行把控，從操作層面上來看具有嚴峻的挑戰性，其中最大的制約因素是成本——CT檢測設備造價極高，而將其用于生產線一般需要大量的CT檢測設備，這是國內大部分企業無法承受的。而隨著產業的不斷發展以及對鑄件質量要求的不斷提高，采用CT技術實時檢測鑄件內部質量會是今后一段時間內主機廠對供應商的普遍要求。

圖4、鑄造生產線部署的高速CT系統

工藝反饋及調整

在鑄件被CT檢測并獲得三維實體數據的前提下，我們假設有這樣一種算法：能夠以非常高效的方式將該數據進行整體分析，并給出鑄件內部缺陷的所有信息，包括類型、尺寸和分布等，那么我們就能利用這個信息對生產工藝本身進行調整和修正，并最終獲得無超標缺陷的合格鑄件。這個過程——即獲得鑄件信息并修正工藝的過程，我們稱之為工藝反饋和調整過程。當然，我們不能只根據一個鑄件的信息來完成這個過程，最正常的情況應該是獲得大量鑄件的信息，通過統計分析和工藝關聯的方法解決鑄件的缺陷問題。

接下來的問題是，即使我們獲得了大量鑄件內部的缺陷分布信息，我們又如何通過調整工藝參數來規避不合格缺陷呢？現有的最有力的分析工具是計算機數值模擬，也就我們熟知的計算機輔助工程（CAE）技術。

采用計算機模擬技術，我們可以實現局部意義上的虛擬生產，特別地針對壓鑄，我們可以將充型和凝固過程直接進行數值模擬，通過研究流體充填型腔過程的速度、壓力、流態、噴濺等行為，來判斷充填過程是否存在卷氣；通過計算壓鑄不同循環條件下鑄件和模具的溫度的變化，來判斷和研究模具潛在的熱節、鑄件缺陷（縮孔、縮松）以及壓鑄熱平衡行為。通過這種數值模擬技術，在一定的分析條件的基礎上，我們在很大程度上可以判斷并規避鑄件內部的缺陷，提高鑄件性能并大幅提高生產效率，達到之前我們討論的工藝反饋和修正的目的。

圖5、離合器殼體充填過程模擬

我們將整個過程串起來：采用數字化技術（CT）實時檢測產品的三維缺陷數據，如果產品不合格則將該數據傳輸到CAE分析中心，采用模擬仿真技術分析并產生缺陷問題解決方案，解決方案回饋到生產和工藝前端進行執行并重新獲得產品，產品繼續經過數字化檢測并獲得三維缺陷數據，如果產品合格則迭代結束，反之則繼續進行。

掌握核心數字化技術

可以看到，這個過程中起關鍵的作用的是CAE分析，所提出的解決方案的有效性會對整個工藝流程的效率產生影響。實際上，是否能夠掌握好CAE技術的核心，是否能夠將數值模擬技術很好地應用在實際生產中，可以在很大程度上衡量一個壓鑄企業的技術能力，因為數字化技術是企業的必經之路，在這條路上越早掌握數字化技術的核心，就越能在未來的企業競爭中脫穎而出。

因此，如果將數字化檢測技術和CAE分析技術很好地應用在現有的壓鑄企業的話，我們可以看到一個完整而典型的數字化工廠場景。其中數字化檢測技術實現將物理實體數字化，而CAE分析技術則基于虛擬生產將檢測獲得的數字信息轉化為問題解決方案，在這個過程中，數字化檢測其實是一個完全自動化的過程，而CAE分析則仍舊需要人的參與。如果可以將CAE分析固化成一種算法，并實現完全的自動化，那么這就是未來智能數字化工廠的雛形。

來源：適創科技