銳意進取，實現(xiàn)傳統(tǒng)鑄造產業(yè)的技術革新
——記西北工業(yè)大學材料學院教授郝啟堂

蔡巧玉

郝啟堂在工作現(xiàn)場

鑄造是一門既古老又嶄新的技術。

早在石器時代，鑄造就已經出現(xiàn)在人類的生產活動中，并作為一門古老的技術傳遞數(shù)千年之久。從“鐘鳴鼎食”的青銅時代起，我國古代鑄造匠人就以創(chuàng)造出許多技藝精湛超群、巧奪天工的鑄件而聞名于世?？梢哉f，一部中華文明史是一部凝聚了歷代工匠智慧和創(chuàng)造的發(fā)明史。

時至今日，鑄造業(yè)已成為現(xiàn)代機械制造工業(yè)的基礎，其發(fā)展很大程度上標志著一個國家的生存實力。工業(yè)革命以來，鑄造行業(yè)向機械化、規(guī)模化發(fā)展成為不可逆的歷史潮流。美、英、德等發(fā)達國家的鑄造工業(yè)不斷借助科技革命掀起的浪潮脫胎換骨、快速升級，呈現(xiàn)出專業(yè)化、集約化、高端化、智能化等特點。而中國作為傳統(tǒng)的鑄造大國，在邁向現(xiàn)代的過程中卻遭遇了瓶頸：一面是經濟發(fā)展催生的強大需求，一面是鑄件工藝缺乏技術含量、高端鑄件產品長期依靠進口。如何突破中國現(xiàn)代鑄造業(yè)發(fā)展的瓶頸，成為相關科學家面臨的首要難題。

在西北工業(yè)大學材料學院教授郝啟堂看來，承續(xù)傳統(tǒng)榮光，開拓技術新篇，是我國鑄造行業(yè)發(fā)展的必由之路。以技術突破為破局之道，蘊匠心于探索之途，用技術解決問題、填補差距，推動產業(yè)規(guī)律化、規(guī)格化、規(guī)?；l(fā)展，是他一切研究的起源，也是其最終目的所在。

投身鑄造：從一而終的選擇

談到與鑄造的緣分，郝啟堂常常用“一輩子”來形容。在他看來，與這項他埋首一生的事業(yè)相遇相攜，很有些宿命的味道。

1984年，臨近高考的郝啟堂，尚對未來要報考哪所大學一無所知。就在此時，西北工業(yè)大學（以下簡稱“西工大”）的招生宣講會開到了郝啟堂的學校——神木中學。西工大這所傳承悠久的理工科學校，給郝啟堂留下了深刻的印象，并順理成章地成為了他的第一選擇。

憑借優(yōu)異的成績，郝啟堂順利地考入西北工業(yè)大學，并機緣巧合地選擇了其王牌專業(yè)——鑄造專業(yè)，開始了本科階段的學習。囿于時代和行業(yè)發(fā)展水平，當時的鑄造工業(yè)的發(fā)展程度相對較低，一度被看作是苦活累活，研究涉及的專業(yè)領域也遠未達到現(xiàn)在的水平。這種情況，讓經過4年專業(yè)學習的郝啟堂，依舊對“鑄造要干什么、有什么意義”這一問題心存疑惑。為了尋求這個問題的答案，他決心在學術路上繼續(xù)探索，以期用所學知識回答鑄造行業(yè)“是什么”“為什么”的本源問題，并以此為起點，緊跟行業(yè)發(fā)展的趨勢，充分運用新技術新產品，應對行業(yè)發(fā)展不斷出現(xiàn)的新需求。

為此，郝啟堂遠赴哈爾濱工業(yè)大學攻讀碩士及博士學位，隨即開始在鑄造裝備生產自動化領域展開研究。投身這一融合了鑄造工藝、自動控制、軟件編程等前沿內容的交叉課程中，加之哈爾濱工業(yè)大學“學在一線”的研究學習方式，讓郝啟堂迅速地融入鑄造行業(yè)實際的工作場景中。“從那時起，我的研究就一直沒有離開業(yè)務現(xiàn)場?！焙聠⑻谜f，“這也決定了我的研究更加偏重工業(yè)應用層面，‘一切從實際需求出發(fā)，把論文寫在優(yōu)質鑄件自動化生產現(xiàn)玚’也成了我的研究準則?！?/p>

郝啟堂（右二）和同事討論技術問題

在哈爾濱學習工作10年后，思念家鄉(xiāng)的郝啟堂決定重回西北工業(yè)大學任教。專門從事高溫合金研究的傅恒志院士研究組首先接納了學成歸來的郝啟堂。然而在合作的過程中，郝啟堂很快發(fā)現(xiàn)自己“志不在此”。此時的郝啟堂，早已揮別年少時的迷茫，他果斷轉換方向，投身到鋁鎂合金的研究領域，并相信自己可以在這一領域取得更高的科研成就。對于他的選擇，傅恒志院士予以大力支持，鼓勵他獨立出來做自己感興趣的工作。以這次“轉向”為開端，郝啟堂成為獨立帶隊的領頭人，開始了以鋁鎂合金為主體的鑄造工藝、鑄造設備及生產自動化方面的攻關研究。

克難關：“凡事先落到實處”

在郝啟堂看來，我國鑄造行業(yè)最大的掣肘是“大而不精”——在行業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大的前提下，行業(yè)產能嚴重落后于實際需求，甚至在涉及國家安全、科技民生等問題的多個重要領域，關鍵性的國產大型高質量鑄件尚處于空白階段。為應對軍用及民用領域關鍵裝備整體化、輕量化、精密化制造的國家重大需求，同時填補相關領域的空缺，自2001年起，郝啟堂即瞄準大型高質量鋁合金鑄件鑄造領域，攻堅反重力鑄造成型過程中的工藝及設備短缺的難題。

據(jù)郝啟堂介紹，運用于重大裝備上的大型高質量鋁合金構件，不僅形狀復雜、尺寸精度高，而且對力學性能和致密度的要求極為苛刻，加之復雜結構的整體精鑄，使得鑄件的質量控制成為難點。因此，在反重力鑄造和控壓鑄造成形過程中，精準控制就顯得尤為重要。

液面加壓是決定精準控制能否實現(xiàn)的核心所在，與具有固定控制屬性或傳遞函數(shù)的被控對象相比，反重力鑄造或控壓鑄造成形裝備的被控對象具有很大的延滯性，而且被控對象的有效容積、介質溫度、氣源壓力、加壓規(guī)律等都會隨時間變化，很難通過建立固定的數(shù)學模型來實現(xiàn)成形過程的精確控制。這就使得郝啟堂不得不在利用傳統(tǒng)PID實現(xiàn)過程控制時，為系統(tǒng)分段提供不同的PID參數(shù)，以求得到較好的動態(tài)控制效果。然而，這種分段式PID參數(shù)方案很難為這種無規(guī)律連續(xù)變化的成形過程提供無縫精確控制。

為了解決這一問題，郝啟堂創(chuàng)造性地將模糊控制技術引入反重力鑄造及控壓鑄造成形的液面加壓過程，開辟了鑄造過程動態(tài)控制的先河，并制定了專用參數(shù)模糊化規(guī)則。通過細化輸入和輸出量的模糊論域劃分等級并結合Mamdani模糊推理方法，統(tǒng)籌考慮誤差、誤差變化量、氣源變化、介質溫度等因素，實現(xiàn)了最大限度上因變量控制的全覆蓋，從而使液面加壓過程控制水平和控制穩(wěn)定性得到了很大程度的提高。

當然，一件事的成敗與否，并不是只有內部因素這一個影響因素，精準控制也是一樣。在整合處理了材料內部各種影響因素之后，郝啟堂將目光投向實施精準控制過程中的外部因素，以求較為徹底地解決“穩(wěn)定性”的問題。

在相關領域的國際交流過程中，郝啟堂發(fā)現(xiàn)，以德國為代表的傳統(tǒng)鑄造強國，其人工智能及視頻圖像識別技術在鑄造方面的運用已經十分純熟。這為郝啟堂提供了“解題思路”——他積極開展鑄造行業(yè)與先進算法、深度學習技術充分融合的相關研究，以實現(xiàn)對設備和工藝更好的實現(xiàn)效果。具體到實際操作中，以進一步提高液面加壓控制系統(tǒng)的適應性和抗干擾性能為目的，郝啟堂充分利用神經網絡算法優(yōu)秀的自學習和自適應能力，真正意義上實現(xiàn)了PID參數(shù)的連續(xù)在線整定，并通過引入自適應學習率和自適應動量項方法，使算法的學習效率和控制精度得到明顯的提升。隨著先進算法的不斷應用，針對神經網絡PID算法程序計算量大、結構復雜等問題，郝啟堂在算法中引入模糊控制模塊，并利用神經元間的迭代學習，實現(xiàn)了對模糊表中參數(shù)增量的再優(yōu)化。在此基礎上，郝啟堂開發(fā)出了模糊神經網絡PID控制算法，其應用在控壓鑄造成形液面加壓過程控制的精度、可靠性和效率方面均取得了理想的結果。

借助參數(shù)模糊化和網絡神經元算法，郝啟堂團隊突破了大尺寸復雜鋁合金鑄件的完整成型、多組元鋁合金凝固組織精細調控、鑄造缺陷及致密度控制、鑄件尺寸精度控制等關鍵技術，實現(xiàn)了大型復雜構件的精確成型和組織性能優(yōu)化。在此基礎上，郝啟堂團隊提出高階參數(shù)模糊化控壓成型控制算法，結合大口徑控壓數(shù)字組合閥技術，開發(fā)出系列化全自動控壓成型鑄造裝備，解決了大尺寸、大噸位異形構件的成型工藝難題，填補了我國大型控壓成型鑄造裝備技術空白。

從2007年“反重力鑄造工藝與裝備”項目的合作實施，再到2020年“大型高質量鋁合金鑄件控壓成型關鍵技術及應用”合作研究，與郝啟堂有過多次合作的西北工業(yè)大學教授介萬奇反復強調：“如果沒有郝老師這個團隊，我們的項目不可能完成，更不可能這么好地完成?！痹诮槿f奇看來，如果自己是提出“新想法”、著重理論研究的人，那郝啟堂就是那個讓“想法落地”的人。通過近15年的研究和技術創(chuàng)新，郝啟堂團隊開發(fā)出大型高質量鋁合金構件控壓成型鑄造新技術，在高精度成型、復雜結構整體成型、高性能成型及高致密度成型方面均有亮眼成果，其中鋁合金熔體綜合處理技術和控壓凝固技術已達國際領先水平。在技術創(chuàng)新的加持下，郝啟堂團隊研發(fā)出了我國最大的分體式低壓鑄造和全自動砂型反重力鑄造生產線，在我國關鍵大型復雜構件的生產中發(fā)揮了重要作用，運20等重點型號大型復雜構件鑄造難題得以順利解決，航空航天領域實現(xiàn)了大型鑄件的完全國產，保障了國家重大型號的研發(fā)與批產，同時推動了我國高質量鋁合金構件鑄造技術的跨越式發(fā)展。

談及成果，郝啟堂顯得很自信：“凡事先落到實處，這是我們團隊一直奉行的工作準則。在與介萬奇教授的具體合作中，我們在著眼實踐的同時，充分重視理論的重要性和指導性，并積極在實踐中為新的理論提供實證，最終實現(xiàn)了兩個團隊的強強聯(lián)合、共同進步。不謙虛地說，這么多年以來，以關鍵技術為切入點，充分打通理論到實際應用的通路，我認為我的團隊做得還是很不錯的?！?/p>

重實干：拓寬產業(yè)化道路

與一般的學者不同，郝啟堂很享受與企業(yè)“親密接觸”的過程。他認為，企業(yè)是行業(yè)發(fā)展的先鋒隊伍，企業(yè)的需求，在一定程度上與行業(yè)發(fā)展需求是高度趨同的。在郝啟堂看來，企業(yè)的需求不僅是研究方向的“指路燈”，更是研究路上的“磨刀石”，能夠在明確方向的前提下，促進自己查漏補缺、不斷創(chuàng)新。他說：“我的工作要切實地為企業(yè)服務，脫離實際需求的閉門造車沒有意義，更不會有發(fā)展?！?/p>

為此，郝啟堂積極參與到國家先進工業(yè)預研項目中，以期可以精準地解決企業(yè)生產過程中提出的各項問題。在某型號關鍵結構件國產化的先進工業(yè)預研項目中，郝啟堂成功地將自動控制技術引入傳統(tǒng)的鑄造成形當中，實現(xiàn)了我國優(yōu)質鑄件生產工藝和裝備從無到有的轉變。伴隨著反重力鑄造成形技術研究工作的深入，以及在我國優(yōu)質鑄件生產的廣泛推廣和應用，郝啟堂不但解決了液態(tài)金屬在充型過程中的流態(tài)問題和溫度場控制問題，而且在充型加壓過程的多樣化、冶金質量控制等方面也取得了良好的效果。不同工藝節(jié)點的自動銜接在提高生產效率的同時，極大地減少了人為因素對鑄件質量的影響，這對鑄件質量的把控產生了極為正面的作用。此外，郝啟堂對液態(tài)金屬成形模具的CAD/CAM研究為汽車輕量化提供了保障條件，縮短了高性能新產品的研究周期。原位生成鋁基復合材料的研究為改善傳統(tǒng)鋁銅合金鑄造性能、提高產品可靠性及合格率提供了基礎。

團隊合影

以此為契機，郝啟堂與國內眾多的鑄造企業(yè)建立起良好的合作關系，并根據(jù)企業(yè)的具體需求，為其研發(fā)出100余臺套不同型號、不同功能的優(yōu)質成形裝備。郝啟堂團隊自主開發(fā)的成套控壓成型鑄造裝備，憑借在汽車、航空、航天、高鐵等工業(yè)領域內精密成型的優(yōu)異表現(xiàn)，獲得了相關企業(yè)的廣泛認可，在國內市場占有率達到了80%以上。與此同時，郝啟堂團隊積極促進了行業(yè)技術進步，不斷降低鑄造過程中造成的能耗浪費，以高度集成，符合綠色化、智能化發(fā)展要求且滿足企業(yè)需求的新型設備，推進鑄造行業(yè)的轉型升級，有效幫助傳統(tǒng)企業(yè)實現(xiàn)技術改造，使得多個因環(huán)保等問題面臨倒閉的企業(yè)起死回生，并大大改善了工作環(huán)境和職工福利。在孵化新企業(yè)、增加就業(yè)崗位、促進產業(yè)升級方面也起到了良好的推動作用。

據(jù)合作企業(yè)反饋，在與郝啟堂合作之前，因為技術水平不達標，設備的調試可能就要花去20天的時間。如今利用郝啟堂研究的技術，設備可以實現(xiàn)“零調試”，“今天下午裝好了，明天上午就可以投入生產”。他所帶領的團隊也因此聲名在外，深受企業(yè)青睞。如果有新建企業(yè)或有一些新的特殊工藝要求，這些企業(yè)也會主動找到郝啟堂團隊進行合作。難怪郝啟堂會驕傲地說：“這條連接高校和企業(yè)的產業(yè)化之路，我們走通了?！?/p>

談及與企業(yè)的關系，郝啟堂坦言：“我的做事風格比較‘企業(yè)化’。比起實驗室，我更熟悉的地方是企業(yè)車間、鑄造現(xiàn)場。能為企業(yè)解決多年遺留的老大難問題，是一件很有成就感的事。”

在路上：“要有一兩件拿得出手的事”

從研20余年，郝啟堂鮮少沮喪低落。面對并不平坦的研究之路，這個耿直的西北漢子總是說：“我是個樂觀之人，我沒什么困難。什么困難對我來講都不是什么難事。”在郝啟堂看來，再難的問題，只要看準了核心的問題，抓住這個核心鉆研下去，假以時日，必能有一個結果。只要把方向搞準了，再難的事情，總會有落地和解決的一天。一些旁人為之蹙眉的“難”，于郝啟堂來說，更像是有趣的游戲，他樂在其中。越難的課題、越具有挑戰(zhàn)性的項目，他做起來越是充滿干勁。他堅信，“上下求索”的熱情和“刨根問底”的勇氣，是攻克難關的“必備品”，遇到困難只會往后縮，是斷然沒有什么好結果的。

這份質樸的情感，也被郝啟堂帶到了團隊建設的過程中?！皬膶嵺`中來，到實踐中去”，是他對團隊年輕教師和學生的第一要求，“到企業(yè)中去”的研究傳統(tǒng)被他繼承下來并發(fā)揚光大。以郝啟堂的經驗來說，貼近實際需求、提升動手能力、培養(yǎng)科學嗅覺，是一個循序漸進的過程。在這個過程中，隊伍里的年輕人會慢慢摒棄“嬌”“驕”二氣，在“上手干活”的同時逐漸觸摸到行業(yè)發(fā)展的脈絡，并在其中捕捉新的科研閃光點。勤奮肯干，加之學生扎實的理論基礎，郝啟堂培養(yǎng)出一批精于學術、強于實踐的復合型人才。他們在進入實際工作后，收獲了用人單位的一致好評，這讓郝啟堂感到十分欣慰。

在鑄造行業(yè)干了一輩子，郝啟堂從未覺得這是一個“夕陽產業(yè)”。特別是進入21世紀以來，劃時代的創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)，鑄造行業(yè)正向著智能鑄造的方向大步邁進。隨著工業(yè)4.0時代的到來、工業(yè)智能化水平的提高，我國由鑄造大國邁向鑄造強國的改革浪潮方興未艾?！吨袊圃?025》行動綱領中明確提出，要加快推進鑄造行業(yè)供給側結構性改革，打造鑄造行業(yè)提質增效的升級版，走資源節(jié)約型、環(huán)境友好型發(fā)展之路，適應制造強國戰(zhàn)略?？梢灶A見，有“機械工業(yè)之母”稱號的鑄造行業(yè)還有很大的發(fā)展空間。對此，郝啟堂深有感觸，在團隊近些年的相關研究中，鑄鋼、鑄銅、鈦合金等材料的控壓成形技術已被納入研究范疇，在人工智能和圖像技術的幫助下，這些新型材料已在制造裝備方向呈現(xiàn)出很多可能，團隊在材料的多樣性、新屬性的挖掘、新技術的研究推廣方面均有建樹，這讓他對行業(yè)長足發(fā)展的信心更增加幾分。

“鑄造行業(yè)的前景遠不止于此，未來它進步的步伐必然會越來越大。”郝啟堂說，“對于我的團隊來說，目前要做的就是積極響應國家‘質量和品牌戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅動發(fā)展、綠色鑄造戰(zhàn)略、結構優(yōu)化戰(zhàn)略、精益管理戰(zhàn)略、人才培養(yǎng)戰(zhàn)略’的六大發(fā)展戰(zhàn)略，抓緊布局，實現(xiàn)企業(yè)化、細節(jié)化、可持續(xù)化發(fā)展。同時建立鏈條，將產品升級和產品落地這兩個階段有效地聯(lián)系起來，讓研究不落伍、技術不落后、產品不斷檔。距離我退休還有一些時間，相信我可以在鑄造研究的路上再做些事。在我看來，一輩子做事情也好、做科學研究也好，只要有那么一項兩項有自己知識產權的東西能夠拿在手里，人就會有底氣，這就是自主知識產權帶來的巨大改變。做事只要能踏踏實實，哪怕只有一點兩點，有一定先進性和水準，都能感受到以后發(fā)展的路子很寬?！?/p>