基于工藝模型的銷軸熱處理車間技改實踐

王亞軍

（國家能源集團(tuán)神東技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

制造業(yè)數(shù)字化不可逆轉(zhuǎn)，而數(shù)字孿生技術(shù)是最引人注目的發(fā)展方向，并逐步用于新車間建設(shè)及對舊設(shè)備和車間的改造之中。

魏一雄等[1]提出了一種實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的孿生車間架構(gòu)。Park K T[2]對孿生車間的智能維護(hù)流程進(jìn)行了研究。Herakovic N[3]針對離散制造業(yè)的車間改造提出了一種“五步法”流程。Qamsane Y 等[4]借鑒全生命周期管理的概念，對孿生車間的建設(shè)維護(hù)提出了一種整體解決方案。國內(nèi)很多機(jī)構(gòu)和學(xué)者對數(shù)字孿生技術(shù)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，其中北航、航天研究院等單位已經(jīng)形成相關(guān)的研究群體，陶飛[5]、莊存波等[6]對數(shù)字孿生進(jìn)行了廣泛研究，涉及產(chǎn)品管理、車間組織架構(gòu)和模型、數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用等諸多方面并進(jìn)行了案例探索。

以上研究主要涉及車間上層系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)處理和智能管理等層面，豐富而卓越。但關(guān)于數(shù)字孿生，從開發(fā)和應(yīng)用層面看，機(jī)理模型必不可少。同時，具體到車間改造實施，如熱處理車間改造，還有一些特殊的細(xì)節(jié)問題如：①老舊設(shè)備需要改造/替換而其相關(guān)技術(shù)信息丟失；②自底向上實施改造時，新系統(tǒng)與其他系統(tǒng)和設(shè)施的兼容、改造周期長、上層系統(tǒng)與底層業(yè)務(wù)融合以便落地；③歷史數(shù)據(jù)缺乏，大數(shù)據(jù)直接應(yīng)用存在障礙。這些問題需要建立相應(yīng)的模型，以對改造方案進(jìn)行快速而合理的指導(dǎo)。同時，這也決定了數(shù)字化進(jìn)程往往需要自底向上分階段實施的現(xiàn)實。

本文以礦用銷軸的熱處理車間改造為例，探索以數(shù)字孿生為最終目標(biāo)的改造路線。改造前存在問題：車間布局不合理，工序設(shè)備之間操作時間間隔大，難以得到需要的微觀組織；作業(yè)條件惡劣，人工操作；對象規(guī)格繁多，混合作業(yè)，且無信息化和能量管控措施，能耗大。工件為棒料，工藝路線為淬火（水冷）-高溫回火，期望微觀組織為索氏體。

1 關(guān)鍵工藝及其模型

擬改造的車間涉及淬火和回火兩個關(guān)鍵工序。淬火主要是要得到馬氏體，其冷卻模型和控制參量有充分的可靠文獻(xiàn)[7-8]，可直接參考，此處不贅述。

加熱過程不僅直接關(guān)系到加熱爐的改造，還決定了淬火工序和回火工序冷卻的邊界條件和初始條件，回火過程作為最終工序，期望得到回火索氏體。故對加熱、回火兩個過程進(jìn)行理論模型探討。

1.1 加熱模型

根據(jù)擬改造的加熱爐類型、工件形狀和規(guī)格范圍，畢渥數(shù)B＞1，需考慮工件內(nèi)部的傳熱，溫度分析應(yīng)采用一維計算模型[9]。

爐壁到工件表面考慮對流和輻射，其熱能傳遞模型可表示為

式中：Q、QC、QR分別表示傳遞到工件表面的總熱量、對流熱量和輻射熱量，J；TF和TM分別為爐壁溫度和工件表面溫度，K；α為對流率，通常取(5～25)W/m2·K ；ε為 灰度系數(shù)，取0.35～0.7；σ為物理常數(shù)。

銷軸表面向內(nèi)的溫度分布可用熱傳導(dǎo)方程描述

式中：c為比熱，J /(kg·K) ；ρ 為密度，kg/m3；T為溫度，K；x為工件半徑方向位置坐標(biāo)；λ是材料熱導(dǎo)率，W/(m·K)。

為了編程計算任意位置上溫度隨時間的變化，需對式（2）的傅里葉微分方程在空間和時間上離散。推導(dǎo)可得

式中：n為材料半徑方向上的離散位置刻度；k為時間上的離散刻度，其相鄰刻度間的時間增量為 Δt，Tn,k代表位置點n處 在時間點k時的溫度。

1.2 冷卻過程和微觀組織預(yù)測模型

回火過程可以看作一個受擴(kuò)散控制的過程，考慮應(yīng)用方便和預(yù)測精度的平衡，建立其基于回火參數(shù)[10]的組織轉(zhuǎn)變量計算預(yù)測模型。

設(shè)等溫回火時，固相反應(yīng)量Y和絕對溫度T，時間段τ符合Ahhenius 方程[11]

對其取常用對數(shù)

其中：δ即回火參數(shù)，為固相反應(yīng)量Y的常用對數(shù)；τ為時間，h；Q是激活能，kcal/mol，通常取值64.76 kcal/mol[12]；R=1.98 cal/mol為氣體常數(shù)；logA為常數(shù)，通常取值為50。

可見，各種回火組織轉(zhuǎn)變量和回火參數(shù) δ的關(guān)系是Avrami 類型[13]，可統(tǒng)一描述為

式中：δ0、δ1與轉(zhuǎn)變類型（本文目標(biāo)為回火索氏體）有關(guān)，分別對應(yīng)于轉(zhuǎn)變量為1%和99%時的 δ 值；a和b與材料相關(guān)，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，對馬氏體的回火轉(zhuǎn)變，a≈-4.8，b≈2.5。

從式（6）、式（7）得出，如果將任意變溫回火過程離散成一系列階梯等溫子過程，則組織轉(zhuǎn)化量預(yù)測模型的算法可描述如下：

（1）以時間步 Δτj，計算第j個等溫子過程(Tj,Δτj) 的回火參數(shù)和固相反應(yīng)增量 ΔYj，直至該等溫過程計算結(jié)束。

（2）第j個等溫子過程結(jié)束時，可得此時回火參數(shù)δj

（3）所有子過程計算完畢，根據(jù)式（7）計算組織轉(zhuǎn)變量。

至此，由式（4）建立了加熱過程的計算模型；引用文獻(xiàn)[8] 可建立淬火冷卻過程的模型；由式（6）、（7）建立了回火過程的預(yù)測模型。

這些模型在車間改造中至關(guān)重要，不僅為設(shè)計提供理論依據(jù)，也將極大縮短項目實施周期。通過和不同初始條件、邊界條件和特定約束條件的組合，可以在車間改造、后續(xù)升級和運行中有不同作用。

2 改造方案

2.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計的任務(wù)是：①確定系統(tǒng)的節(jié)拍匹配、布局；②主要設(shè)備的選型及其依據(jù)；③需要采集和管控的參數(shù)。約束條件主要是工藝文件，產(chǎn)能要求和車間空間、電氣設(shè)施等環(huán)境情況。

以微觀組織達(dá)標(biāo)為目標(biāo)，采用前述模型進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化，即可獲得：淬火、回火環(huán)節(jié)理論總時間；淬火爐、回火爐選型參數(shù)表；最佳爐溫采集點等信息。

以產(chǎn)能約束為主要目標(biāo)，綜合運用已經(jīng)得到的淬火、回火環(huán)節(jié)理論總時間，以及上下料時間和工位間物料轉(zhuǎn)運時間，即可進(jìn)行節(jié)拍匹配和優(yōu)化分析，進(jìn)而確定產(chǎn)線布局、工序間物料轉(zhuǎn)運時間等，為后續(xù)的自動化措施的設(shè)計提供支持。

本案例最終的系統(tǒng)布局如圖1，根據(jù)節(jié)拍匹配，需要1個淬火爐、2個回火爐。

圖1 車間改造布局圖

2.2 自動化措施設(shè)計

根據(jù)已獲得的節(jié)拍時間，即可進(jìn)行底層自動化設(shè)施設(shè)計。主要包含：①自動化執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計或選型；②下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計，包括數(shù)據(jù)和信號采集、狀態(tài)監(jiān)測點位和報警設(shè)施等。為了后續(xù)數(shù)字化升級，往往需要注意系統(tǒng)資源的可擴(kuò)展性和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)及信息化

在上述底層業(yè)務(wù)邏輯打通的情況下，系統(tǒng)上層架構(gòu)在立足現(xiàn)實需求基礎(chǔ)上，可以面向數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用愿景進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計，為未來升級預(yù)留足夠而必要的擴(kuò)展資源?；诖嗽瓌t，本案例的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 車間數(shù)字化架構(gòu)

在模型與數(shù)據(jù)庫支撐下，系統(tǒng)的主要包括資源管理、生產(chǎn)調(diào)度、工藝與質(zhì)量管理、能耗統(tǒng)計與安全管理、狀態(tài)監(jiān)測與維護(hù)、分析決策與無紙化辦公等主要功能模塊。需要說明的是，根據(jù)實際流程，將車間操作人員管理納入生產(chǎn)調(diào)度，而權(quán)限管理由工廠級系統(tǒng)接入和分發(fā)。在底層數(shù)據(jù)驅(qū)動和處理方面，采用通用的組態(tài)開發(fā)，其數(shù)據(jù)驅(qū)動和處理邏輯圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

總體而言，系統(tǒng)功能設(shè)計為有限目標(biāo)，體現(xiàn)了性價比，同時也為后續(xù)的數(shù)字化升級和功能擴(kuò)展，如基于模型的遠(yuǎn)程維護(hù)和故障診斷預(yù)留了接口和資源。

2、投資風(fēng)險。投資風(fēng)險主要是指保險企業(yè)在進(jìn)行相關(guān)項目投資之后，由于存在許多不確定的干擾因素，導(dǎo)致項目最后運行的回報率沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)而產(chǎn)生的財務(wù)風(fēng)險。保險企業(yè)進(jìn)行項目投資主要包括實體投資和金融投資兩大類，實體投資的財務(wù)風(fēng)險主要來源于外部經(jīng)濟(jì)環(huán)境的影響和企業(yè)內(nèi)部經(jīng)營管理的變化，金融投資的財務(wù)風(fēng)險主要來自于所投資金融產(chǎn)品自身收益變動性帶來的回報率風(fēng)險。

3 試驗驗證

通過調(diào)試，初步驗證生產(chǎn)節(jié)拍后，系統(tǒng)進(jìn)行了試運行，主要驗證兩個方面：

（1）加熱過程溫度變化和模型預(yù)測的符合度標(biāo)本為爐內(nèi)預(yù)埋的熱電偶。

（2）回火后最終微觀組織成分與模型預(yù)測的符合程度。試樣及執(zhí)行工藝如表1 所示。

表1 試驗工藝表（與原工藝一致）

以淬火爐為例，進(jìn)行了溫度預(yù)測試驗。淬火爐為箱式加熱爐，加熱功率150 kW，有效加熱區(qū)1500 mm×1000 mm×700 mm，加熱區(qū)數(shù)為1區(qū)。溫度采集方式為熱電偶，采集位置為加熱區(qū)中心正上方（2＃熱電偶）PLC 控制，數(shù)字顯示。

升溫過程預(yù)測與實測值的比較如圖4 所示，符合度較好，模型具有良好的精度。但是也看得出預(yù)測溫度比實測溫度一般偏高，這說明模型本身還是忽略了一些散熱要素，偏理想化。

圖4 2#熱電偶位置實測溫度與預(yù)測溫度

圖5 試件淬火后組織（不同形態(tài)已標(biāo)注）

圖6 試件回火后的顯微組織

4 結(jié)語

通過實施基于模型的改造路線，整個改造周期由預(yù)案設(shè)定的18 個月縮短為8個月，極大地縮短了改造周期，節(jié)約了時間和成本。充分說明該路線的合理性，其從底層邏輯梳理開始、自底向上實施的方式具備一定的推廣價值。

模型的作用對周期的縮短貢獻(xiàn)較大，主要體現(xiàn)在：在歷史數(shù)據(jù)缺乏積累、老舊設(shè)備參數(shù)丟失情況下，快速地確定了主要設(shè)備選型參數(shù)、總體規(guī)劃和節(jié)拍匹配；通過基于模型的總體設(shè)計，快速將自動化改造所需的技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)進(jìn)行了梳理和分解，不僅使分系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)清晰明確，還使多項設(shè)計工作得以并行和協(xié)同；在調(diào)試階段，通過模型分析，使系統(tǒng)調(diào)試更易于進(jìn)行且減少了因出錯帶來的重復(fù)工作。

另一方面，模型本身仍然精度有待提高，對初始條件、邊界條件以及計算過程參數(shù)如步長的依賴較大，需反復(fù)分析對比，這對多數(shù)操作者來說較難。而且仿真試驗表明，對最終組織的預(yù)測只能較好地保證下限。因此，當(dāng)前建立的模型，作為方案設(shè)計的指導(dǎo)尚可，但如要用于后續(xù)數(shù)字化改造的精確分析、甚至作為數(shù)字孿生系統(tǒng)的機(jī)理模型而真正用于維護(hù)和故障診斷，還需要提高模型的精度和穩(wěn)定性，或者開發(fā)其它可替代模型。這將是基于模型的車間建設(shè)/改造路線未來需要研究的最主要問題。