基于歷史發(fā)展的等材制造智能化趨勢(shì)研究

周安亮，王德成，屈賢明，2

0　引言

增材制造的發(fā)展可追溯到近幾十年[1]，減材制造的發(fā)展可追溯到近幾百年[2]；相比而言，等材制造有著更加久遠(yuǎn)的發(fā)展史，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，等材制造的發(fā)展可追溯到幾千年前[3]。從石器到青銅器、鐵器的廣泛應(yīng)用，再到以蒸汽機(jī)、電氣化為代表的兩次工業(yè)革命，人類文明逐漸從個(gè)體、手工作坊發(fā)展到機(jī)器化大生產(chǎn)階段，制造方式發(fā)展也經(jīng)歷了等材制造、減材制造、增材制造三個(gè)階段[4]；等材制造是指以材料到產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)過程工件體積變化特征為主要分類標(biāo)準(zhǔn)，定義工件體積受制造過程進(jìn)行的影響較小的鑄、鍛、焊、熱等方式生產(chǎn)制造產(chǎn)品的工藝為等材制造，其經(jīng)歷了幾千年的發(fā)展歷程，為人類文明提供了堅(jiān)實(shí)、持久的支撐。但是，當(dāng)前我國等材制造發(fā)展速度明顯落后于增材制造和減材制造，與增材制造和減材制造的光環(huán)相比，等材制造的發(fā)展進(jìn)展顯得黯淡無光。在這樣的背景下，從歷史發(fā)展維度研究分析等材制造規(guī)律，有助于明晰等材制造發(fā)展走向、理清等材制造智能化發(fā)展關(guān)鍵、賦予數(shù)千年古老行業(yè)智能化發(fā)展新動(dòng)能，為等材制造發(fā)展迫切需要解決的問題提供參考。

1　等材制造發(fā)展歷史

從熱處理、鑄造、鍛壓、焊接典型等材制造工藝幾千年的發(fā)展歷程可知，等材制造主要經(jīng)歷了手工→機(jī)械化→自動(dòng)化三個(gè)歷史發(fā)展階段，如圖1所示。

1.1　手工階段歷史

從新石器時(shí)代開始，泥土與適量的水混合，用手隨意塑造各種形狀，再經(jīng)過火的泥土不怕水，陶器應(yīng)運(yùn)而生（我國陶器出現(xiàn)在距今7000～10000年以前[5]），這是目前知曉的人類熱處理最早事例。后有刀、鏟、剪、錐、沖、錘、鉆、砧類工具，用鑄造或鍛造方法制造古代的劍、戢、斧、戈等有刃工具，以及鑼、鐃、鈸等樂器和罐類器具，在其加工過程中可能經(jīng)過鑄造、鍛造退火處理[6]。約在公元前2000多年，甘肅出土的紅銅器物有明顯的錘擊痕跡[7]，表明冷鍛工藝已用于制造工具，人們靠掄錘進(jìn)行鍛造，后來出現(xiàn)通過人拉繩索和滑車來提起重錘再自由落下的方法鍛打坯料。我國商朝（公元前1600年～前1046年）制造的鐵刃銅、隕鐵制造武器采用鐵和銅的鑄焊件工藝、加熱鍛造工藝制造而成。春秋戰(zhàn)國（公元前770年～前221年）制造的盤龍、塊煉熟鐵采用分段釬焊的連接件、反復(fù)加熱鍛造成形的熱鍛件。戰(zhàn)國晚期，河北易縣出土的鋼劍含碳量為0.5%～0.6%[8]，整支劍身由高碳層與低碳層相間組成，刃部主要由淬火馬氏體所構(gòu)成，是典型的塊煉滲碳鋼疊打鍛造的淬火組織。以鑄造、鍛造、焊接、熱處理工藝為主的等材制造經(jīng)歷了手工工藝為主的歷史發(fā)展階段，為人類工具和兵器文明發(fā)揮了堅(jiān)實(shí)、持久的支撐。

圖1　等材制造演進(jìn)歷史示意Fig.1 The historic progress of equal material manufacturing

1.2　機(jī)械化階段歷史

宋代《天工開物》、《繪事瑣言》等古籍中有記載，將金片初鍛后，層層疊入特制的烏金紙，扎成束，加以鍛打和退火，其中間退火處理在約100℃的溫度下加熱，以消除加工硬化，其最終退火處理是利用鍛造的余熱，將金片連同烏金紙緩慢冷至室溫，后又開發(fā)了蒸汽退火加熱技術(shù)，用蒸汽加熱可使溫度控制在略高于100℃，可獲得很高的延展性，又可避免錫箔過度氧化[9]，14世紀(jì)以后出現(xiàn)了畜力和水力落錘鍛造，標(biāo)志著等材制造工藝手工階段逐漸退出歷史舞臺(tái)。18世紀(jì)的工業(yè)革命以后，蒸汽機(jī)、紡織機(jī)和鐵路等大工業(yè)興起，隨著1842年英國內(nèi)史密斯制成第一臺(tái)蒸汽錘，等材制造進(jìn)入動(dòng)力應(yīng)用的機(jī)械化階段[10]，以蒸汽錘、水壓機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的夾板錘、空氣鍛錘和機(jī)械壓力機(jī)、電阻焊、電弧焊機(jī)為典型的等材制造裝備取得了快速發(fā)展，標(biāo)志著等材制造手工階段的結(jié)束，機(jī)械化階段開始。到19世紀(jì)末，已形成近代鑄造機(jī)械、鍛壓機(jī)械、焊接機(jī)械、熱處理機(jī)械的基本門類，等材制造機(jī)械化的發(fā)展為人類大工業(yè)發(fā)展提供了堅(jiān)持、持久的支撐。

1.3　自動(dòng)化階段歷史

20世紀(jì)初，隨著汽車等工業(yè)規(guī)模化發(fā)展[11]，對(duì)零部件質(zhì)量、生產(chǎn)效率的要求不斷升級(jí)，對(duì)等材制造生產(chǎn)工藝提出了更高的要求。伴隨著機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用、傳感技術(shù)的興起、檢測(cè)手段的發(fā)展、金屬微觀奧秘的探查，基于露點(diǎn)儀、紅外線二氧化碳分析儀、紅外儀等傳感技術(shù)的各種微機(jī)自動(dòng)化控制熱處理爐逐漸興起[12]，熱處理和鑄造設(shè)備自動(dòng)化程度逐漸提高，產(chǎn)品一致性、生產(chǎn)效率不斷提升，勞動(dòng)條件和環(huán)境衛(wèi)生大為改善。同時(shí)，熱模鍛壓力機(jī)、平鍛機(jī)和無砧鍛錘等自動(dòng)化鍛壓裝備逐漸取代了普通鍛錘[13]，鍛坯少無氧化加熱技術(shù)、高精度和高壽命模具、熱擠壓，成形軋制等新鍛壓工藝和鍛壓操作機(jī)、機(jī)械手以及自動(dòng)鍛壓生產(chǎn)線逐漸興起，鍛壓自動(dòng)化不斷提升，生產(chǎn)的效率和經(jīng)濟(jì)效果也不斷提高，基于機(jī)器人大型流水自動(dòng)化焊接的制造模式廣泛應(yīng)用于汽車生產(chǎn)等領(lǐng)域，等材制造自動(dòng)化的興起助推了近現(xiàn)代工業(yè)的質(zhì)量、效率發(fā)展，為人類工業(yè)規(guī)模化發(fā)展貢獻(xiàn)了堅(jiān)實(shí)、持久的支撐。

2　數(shù)字化、智能化的興起

當(dāng)前階段，等材制造正在進(jìn)入或已進(jìn)入數(shù)字化、智能化發(fā)展階段。近幾十年來，隨著工業(yè)快速的發(fā)展，工業(yè)門類越來越豐富，等材制造繼續(xù)為航天、航空、能源、化工、船舶、車輛提供支撐，自身也逐步發(fā)展提升，我國已是等材制造生產(chǎn)和需求第一大國，基本形成了較為完整的等材制造工藝體系，等材制造在我國制造業(yè)中的地位不可替代。新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為特征的智能制造模式正在引發(fā)新一輪制造業(yè)變革，工人在生產(chǎn)中從屬機(jī)器生產(chǎn)節(jié)拍的被動(dòng)地位逐漸解放出來，“工人不再是生產(chǎn)過程的主要當(dāng)事者，而是站在生產(chǎn)過程的旁邊[14]”，智能機(jī)器為物質(zhì)生產(chǎn)提供了越來越重要的作用，人類的生存和發(fā)展已然離不開機(jī)器，如圖2所示。

圖2　數(shù)字化智能化引起生產(chǎn)系統(tǒng)變革示意Fig.2 The change of production system cased by digitization and intelligence

在這個(gè)階段，數(shù)字化、智能化制造持續(xù)推動(dòng)人類物質(zhì)資料生產(chǎn)系統(tǒng)的效率提升，物質(zhì)資料生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)人的依賴作用逐漸減弱，人的經(jīng)驗(yàn)、智力可以實(shí)現(xiàn)同人的分離，不斷被抽象為數(shù)字化、智能化信息并融入和固化到智能機(jī)器生產(chǎn)中，以快速傳遞速度作用于整個(gè)人和智能機(jī)器協(xié)同與共融的生產(chǎn)系統(tǒng)，深度影響到制造業(yè)升級(jí)、迭代速度，撕裂制造業(yè)一般發(fā)展規(guī)律?？梢哉J(rèn)為，智能機(jī)器在人類物質(zhì)資料生產(chǎn)中扮演著越來越重要的作用，人的社會(huì)關(guān)系將擴(kuò)展為人與人、人與智能機(jī)器之間的關(guān)系，人機(jī)變革的影子已經(jīng)浮現(xiàn)。

以智能制造為核心驅(qū)動(dòng)力的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革為等材制造數(shù)字化、智能化發(fā)展提供了難得的重大機(jī)遇，等材制造的數(shù)字化、智能化正在快速興起。數(shù)字化、智能化是等材制造的新演進(jìn)趨勢(shì)。很少有人注意到這個(gè)過程何時(shí)開始，何時(shí)結(jié)束，但它確確實(shí)實(shí)地發(fā)生在過去的某個(gè)時(shí)段，即便自動(dòng)化進(jìn)程尚未結(jié)束，數(shù)字化、智能化階段已悄然同行，正成為等材制造的重要發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，等材制造已經(jīng)或正在邁向數(shù)字化、智能化發(fā)展階段，完成自身的蛻變。

3　等材制造智能化趨勢(shì)

等材制造經(jīng)歷了手工→機(jī)械化→自動(dòng)化的發(fā)展階段，正在向數(shù)字化、智能化方向演進(jìn)，數(shù)字化、智能化是等材制造發(fā)展提升的重要手段，也是等材制造發(fā)展的新動(dòng)能。

近些年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和測(cè)試手段不斷進(jìn)步，對(duì)金屬結(jié)晶凝固等理論進(jìn)行的探索不斷深入，質(zhì)量控制技術(shù)在各道工序的智能化控制變?yōu)榭赡?，尤其是機(jī)器人技術(shù)、數(shù)字化、智能化技術(shù)在等材制造生產(chǎn)和管理領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，使得等材制造基礎(chǔ)理論、新工藝、新技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度較大、豐富經(jīng)驗(yàn)的工人和技術(shù)人員日益缺少、產(chǎn)品要求越來越復(fù)雜、削減制造環(huán)節(jié)對(duì)人的依賴，在鑄造、鍛壓、焊接、熱處理典型等材制造各環(huán)節(jié)使用數(shù)字化、智能化技術(shù)手段取代人的應(yīng)用已十分普遍。等材制造工藝數(shù)字化、智能化程度越來越高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)一步減輕、工作環(huán)境進(jìn)一步改善，部分等材制造工藝已經(jīng)或正在進(jìn)行“數(shù)字化、智能化”的蛻變。

圖3　數(shù)字化智能化引起3大新動(dòng)能的轉(zhuǎn)變Fig.3 Three new driving forces changed by digitization and intelligence

基于智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，等材制造知識(shí)的產(chǎn)生和利用效率實(shí)現(xiàn)了根本性的提升，創(chuàng)新速度大大加快，使得其煥發(fā)出新動(dòng)能：①等材制造全過程數(shù)字化、可視化、智能化，使得不懂計(jì)算機(jī)的人也能通過視覺、對(duì)話等手段實(shí)現(xiàn)等材制造的生產(chǎn)組織和管理的科學(xué)化，實(shí)現(xiàn)工人勞動(dòng)強(qiáng)度的降低、工作環(huán)境的改善，擺脫傳統(tǒng)等材制造對(duì)經(jīng)驗(yàn)依賴程度較大的弊病，使得越來越復(fù)雜的產(chǎn)品等材制造過程對(duì)人的依賴卻越來越小，實(shí)現(xiàn)了“人依賴”向“人+智能機(jī)器協(xié)同”的新動(dòng)能轉(zhuǎn)變；②形成更加豐富、科學(xué)的工藝全過程模型和專家?guī)?，?shí)現(xiàn)等材制造的多信息融合下的智能決策、過程適應(yīng)控制、誤差補(bǔ)償智能控制、故障自診斷和智能維護(hù)，加速等材制造裝備的精度與效率不斷提高、工藝的穩(wěn)定性與可控性持續(xù)深度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)等材制造由“經(jīng)驗(yàn)”走向“科學(xué)”的新動(dòng)能換道；③等材制造工藝已經(jīng)從傳統(tǒng)的粗放式熱加工技藝發(fā)展到集材料、冶金、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、電子、信息、傳感等多門類科學(xué)為一體的工程工藝，數(shù)字化、智能化技術(shù)融合得到空前的深入，催生傳統(tǒng)等材制造向數(shù)字化、智能化的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)積累轉(zhuǎn)型，知識(shí)含量得到空前的提高，制造產(chǎn)品更加精準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)等材制造由“控形走向形性一體”的新動(dòng)能跨越。

4　結(jié)束語

本文從等材制造手工階段→機(jī)械化階段→自動(dòng)化階段的歷史演進(jìn)出發(fā)，闡述了等材制造為人類工具和兵器文明、大工業(yè)發(fā)展、工業(yè)規(guī)?；l(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)、持久的支撐，正在進(jìn)入或已進(jìn)入數(shù)字化、智能化發(fā)展階段。

數(shù)字化、智能化制造深度影響到制造業(yè)升級(jí)、迭代速度，撕裂制造業(yè)一般發(fā)展規(guī)律，成為等材制造新的演進(jìn)趨勢(shì)，很少有人注意到這個(gè)過程何時(shí)開始，何時(shí)結(jié)束，但它確確實(shí)實(shí)地發(fā)生在過去的某個(gè)時(shí)段，正成為等材制造的重要發(fā)展趨勢(shì)。

數(shù)字化、智能化有利于實(shí)現(xiàn)等材制造從價(jià)值創(chuàng)造、技術(shù)創(chuàng)新、組織實(shí)施的改變，催生等材制造實(shí)現(xiàn)“人依賴”向“人+智能機(jī)器協(xié)同”的新動(dòng)能轉(zhuǎn)變、由“經(jīng)驗(yàn)”走向“科學(xué)”的新動(dòng)能換道、由“控形”走向“形性一體”的新動(dòng)能跨越。

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