航空航天大型鍛件質量與生產能耗檢測方法

馬慧娟，龔智昂，胡志力，華林

航空航天大型鍛件質量與生產能耗檢測方法

馬慧娟，龔智昂，胡志力*，華林

（武漢理工大學 汽車工程學院 a.現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室；b.汽車零部件技術湖北省協同創新中心；c.湖北省新能源與智能網聯車工程技術研究中心，武漢 430070）

鍛造工藝作為航空航天領域生產制造企業至關重要的精密成形方法，被廣泛應用于大飛機和火箭上多品種鍛件的批量生產，但是對鍛件質量要求很高，且鍛造工藝能耗巨大，直接影響企業的經濟效益，間接造成眾多環境污染問題。為爭取早日實現我國“雙碳”目標以及持續推進制造業轉型和能源結構調整的目標，亟需在保證鍛件質量要求的基礎上采取節能降耗措施。針對航空航天領域以鋁合金材料為代表的大型鍛件常見缺陷與核心質量要求，將鍛造生產流程分解為原材料、備料、加熱、鍛壓和鍛后熱處理5個主要環節，歸納總結了鍛件缺陷及其產生原因和影響機制；系統闡明外觀質量、力學性能、晶粒度/平均晶粒尺寸、斷裂韌性、殘余應力和抗腐蝕能力等質量要求的檢測方法的研究現狀，為鋁合金等金屬大型鍛件的重要質量檢測研究提供指導；同時，針對大型金屬鍛件鍛造工藝能耗管控粗放的特點，從工廠層、裝備層、產品層3個層面梳理能耗檢測方法并提供提高能效的相關研究思路，為實現航空航天大型鍛件節能降耗生產提供指導。在鍛造行業高質低耗生產轉型發展過程中，該理論方法在以鋁合金為代表的大型金屬鍛件關鍵質量檢測和生產能耗檢測方面，具有一定的指導意義。

鋁合金；大型鍛件；缺陷；質量檢測；能耗檢測

隨著世界工業化進程的加快，工業生產規模越來越大，對能源的消耗也與日俱增。為有效應對過度能源消耗導致的眾多全球化問題，《中國制造2025》以及十四五“雙碳”目標提出持續推進制造業轉型和能源結構調整并爭取早日實現。在眾多工業生產模式中，鍛造生產一直以高能耗著稱，其能耗約占機械制造行業總能耗的25%[1]。因此，我國作為世界第一制造大國，鍛造行業節能降耗工作的開展迫在眉睫，其不僅符合國家節約能源的發展方針，還直接影響國家的經濟利益。

飛機和航空發動機結構的主要承力部件都采用鋁合金及高強鋼的模鍛件，如飛機機體承力框、主梁、起落架，發動機的渦輪盤、渦輪軸、葉片等，其制造水平對飛機所能達到的最高性能水平、可靠性、壽命和技術經濟效益有重大影響[2-4]。因此，航空航天領域對大型金屬鍛件的質量要求極高，但目前企業在達到鍛件質量標準的同時，也存在能耗管控粗放的問題。而現有的研究大多數都著眼于通過調整生產過程中的工藝參數或工藝方法來實現對鋁合金等金屬大型鍛件質量的控制。Mao等[5]提出了一種控制環三維機械性能的新方法來調控2219鋁合金大規格鍛環內部Al2Cu粗大第二相（CSPPs）嚴重偏析和力學性能不均勻的問題；王富強等[6]基于DEFORM數值模擬軟件，對某型機7B04鋁合金接頭鍛造過程進行研究，采用優化工藝試制的鍛件的抗拉強度、屈服強度有明顯提升，均滿足產品性能指標；Xu等[7]提出了箱形鍛件等溫反擠壓過程中的預成形件設計方法，通過有限元模擬揭示了等厚坯料金屬流動規律，模擬結果成功地預測了基體鍛件底部折疊和蓋件鍛件側壁填充不足的缺陷；Zhao等[8]改進了傳統的鍛造工藝：預熱、熱鍛、固溶熱處理（SHT）和人工時效，將SHT和熱鍛集成到一個操作中，提出新型固溶鍛造一體化工藝，在工業化條件下成功制造了6082鋁合金鍛件；Zhao等[9]研究了300M鋼在大應變下的變形行為，模擬了大型鍛件的鍛造過程，發現流變應力的變化受變形參數和加工硬化與動態軟化相互作用的影響，以此提出了一種新的本構模型來預測不同變形參數下的流變應力。

雖然有少部分文獻提及能源管控的重要性，但其研究均在起步階段，且沒有形成連續完整的體系，故本文就航空航天大型鋁合金等金屬鍛件的缺陷、鍛件質量的檢測方法進行歸納總結，提出一些針對鍛造生產企業能耗檢測方法應用的思考與探索，有助于改善航空航天鍛造生產制造領域能耗管控粗放的行業現狀，在鍛造行業高質低耗生產轉型發展過程中具有一定的指導意義。

1 大型鍛件缺陷

鋁合金、高強鋼等高強度金屬是鍛造用的主要原材料，其形式大致為軋材、擠材和鍛坯，是由鑄錠分別經過軋制、擠壓及鍛造加工而成的半成品。在一般情況下，鑄錠本身存在表面缺陷和內部缺陷，會造成鍛件在后續工序中含有缺陷，影響鍛件的性能[10-11]。鍛造成形過程中工藝和操作不當，同樣會引起鍛件出現缺陷，甚至報廢。下面按照鍛件生產過程說明一些主要缺陷的特征、產生原因及可能引起的不良后果。

1.1 原材料產生的缺陷

盡管原材料在入廠前會由專業檢查人員進行檢查，但有些缺陷既分散又隱蔽，存在沒有被發現的可能，原材料導致的鍛件缺陷可以分為表面裂紋、折疊、非金屬夾雜、鋁合金氧化膜、白點、粗晶環等，其缺陷相應的主要特征、產生原因及影響如表1所示。

表1 原材料導致的鍛件缺陷[12-17]

Tab.1 Forging defects caused by raw materials[12-17]

1.2 備料產生的缺陷

在備料過程中，機床內留有金屬碎屑或操作不當通常會導致鍛件產生較為嚴重的缺陷，產生的主要缺陷包括切斜、端面彎曲、端面凹陷、端面裂紋等，其缺陷相應的主要特征、產生原因及影響如表2所示。

1.3 加熱時產生的缺陷

鋁合金等金屬在加熱時產生缺陷的原因大致可分為3種：1）介質影響使坯料外層組織化學狀態變化而引起的缺陷，如氧化、脫碳、增碳、滲硫和滲銅等；2）由內部組織結構的異常變化引起的缺陷，如過熱、過燒和未熱透等；3）由于溫度在坯料內部分布不均引起內應力（如溫度應力、組織應力）過大而產生的缺陷，如開裂等[19]。下面介紹幾種較為常見的缺陷，見表3。

1.4 鍛壓過程中產生的缺陷

鍛壓過程中由于工藝不當會導致大量鍛件缺陷的產生，如粗大晶粒、晶粒不均勻、冷硬現象、裂紋、折疊、穿流、欠壓等，會導致鍛件的使役性能降低。下面簡要說明幾種對鍛件影響較大的缺陷，以及缺陷相應的主要特征、產生原因和影響，如表4所示。

表2 備料產生的鍛件缺陷[12-15,18]

Tab.2 Forging defects caused by material preparation[12-15,18]

表3 加熱時產生的鍛件缺陷[12-15,19]

Tab.3 Forging defects caused by heating[12-15,19]

1.5 鍛后熱處理中產生的缺陷

鍛后熱處理在生產過程中通常起到細化晶粒、調整組織的作用，使鍛件具有所需的使役性能，在這一過程中產生的缺陷主要可以歸納為冷卻裂紋、網狀碳化物、硬度過高或硬度不夠，其缺陷相應的主要特征、產生原因及影響如表5所示。

2 質量檢測

在大多數航空航天鍛件產品制造企業中，鍛件成形需要經過多個工序過程，因此，以鋁合金為代表的大型鍛件質量的影響因素是多方面的，應當進行多項質量檢測評價以確保鍛件質量達到出廠要求。鍛件質量包括外觀質量、力學性能、晶粒度/平均晶粒尺寸、斷裂韌性、殘余應力、抗腐蝕能力等方面，其中外觀質量又包含鍛件的幾何尺寸、形狀精度、表面質量3個項目。

大型金屬鍛件的質量，必須滿足3個方面的要求：一是消除材料內部的冶金缺陷，二是要獲得大小均勻的細晶粒組織，三是實現鍛件力學性能的定向定量分布[27]。

2.1 外觀質量檢測

在鍛造過程中，需要對大型鍛件的主要尺寸進行測量以判別其是否達到工藝文件的要求。目前，工程測量鋁合金等金屬鍛件尺寸的方法分為接觸式測量法和非接觸式測量法。接觸式測量法，也就是直接測量法，其中用大型卡鉗直接測量和“量桿”法最為常見，這類方法的優點是簡單、無需特殊工具、可直接讀取數據[28]。但由于大型鍛件不便于搬運、在鍛壓時溫度高達800～1 200 ℃，并且會發出高亮的紅光、現場環境惡劣苛刻等條件限制，非接觸式測量法逐漸發展成為主流的尺寸形狀測量方法。

非接觸式測量表現出測量精度高、范圍大、信息量豐富、處理速度快和重復性好等優點，包括投影光柵法、干涉測量法、飛行時間法（Time of Flight，TOF）、近景攝影測量法、結構光法和雙目立體視覺測量法等[29-31]。非接觸式測量法根據研究方向的不同可以分為激光測量技術和計算機視覺技術，其中激光測量技術又分為激光束投射法和激光掃描測距法[32-35]。激光束投射法操作簡單、讀數直觀，一般用于測量鍛件的長度尺寸，但存在裝置略顯復雜、有隨機誤差、激光斑在鍛件上不易辨識等缺點。激光掃描測距法根據原理可分為相位雷達法和脈沖雷達法[30,36-37]。相位雷達法測量相對距離精度較高，測量絕對距離精度不高，不適合遠距離、大范圍測量。脈沖雷達法，也被稱為飛行時間法，原理是計時器測定激光束發射到接收的時間，乘以光速，就可計算出觀測位置到目標的距離。由于大型鍛件高溫重載環境下激光器的測量精度會受到影響，因此各國在脈沖雷達測量技術的基礎上采取一些措施以保證測量精度，比如德國研發的LaCam-Forge系統（如圖1所示）[32]；Bokhabrine等[38]采用2臺商用TOF激光測距儀來保證測量精度（圖2為TOF相機距離測量的不確定性來源）；上海交通大學徐要剛等[39]通過二自由度的并聯機構帶動激光測距傳感器運動，使用坐標變換得出三維外形進行尺寸測量。

表4 鍛壓過程中產生的鍛件缺陷[12-15,20-25]

表5 鍛后熱處理中產生的鍛件缺陷[12-15,26]

Tab.5 Forging defects arising from post-forging heat treatment[12-15,26]

圖1 LaCam-Forge測量系統[32]

圖2 TOF相機距離測量的不確定性來源[36]

計算機視覺技術具有動態響應快、大量程、全自動等優點，符合目前向智能化工業發展的趨勢，可分為基于雙目立體視覺的被動視覺測量和基于結構光的主動視覺測量[40-44]。雙目立體視覺是指通過立體匹配，根據視差來重建物體的深度信息，如圖3所示。單CCD成像測量由于成像景深較淺，不能遠距離、大范圍測量，無法得到三維外形，所以應用受到限制。日本學者Okamoto等[45]研制出了基于雙CCD成像的大型鍛件測量系統，實現了高溫鍛件的高穩定測量。然而，立體匹配是雙目立體視覺存在的一個難以克服的問題，為了避免立體匹配，Zhang等[31]提出了基于線結構光的結構光視覺測量系統。該測量系統可以完成規則和不規則鍛件的尺寸測量，但由于其采用的是導軌機構，導軌的尺寸易受到應用空間的限制，需事先設置掃描路徑，且該測量系統采用的是平面網格的標定方法，標定過程復雜。目前計算機視覺的應用日益廣泛，多相機視覺系統的需求也越來越多，如圖4所示是多攝像機、多觀測測量的基本概念。

圖3 雙CCD測量原理[46]

圖4 多攝像機、多觀測測量的基本概念[40]

在測量大型鍛件外形尺寸的同時，鍛件表面是否存在裂紋、折疊、凹坑等缺陷也是評定鍛件質量的一項重要指標。鍛件表面檢測方法包括傳統檢測法、自動檢測法以及機器視覺檢測法3類。傳統檢測法是人工目視檢測和頻閃光檢測法，后者用頻閃光源與專用攝像機替代了人眼，圖5為閃光灰度線性變換的結果，但檢測可信度和自動化程度仍然較低，無法滿足大型鍛件的生產[47-49]。自動檢測法主要有渦流檢測法、紅外線檢測法和漏磁檢測法。渦流檢測法是通過渦流的大小反應表面缺陷形態的無損檢測方法，對于檢測裂紋、刮傷、夾雜物、凹坑等靈敏度高，但缺點是必須充分加熱，因此限制了檢測速度，見圖6。紅外線檢測法常用于離線、小范圍的測量，通過檢測表面溫度的上升值，可以確定缺陷的位置和深度。漏磁檢測法的原理是：鍛件被磁化后，表面缺陷處會形成漏磁場，分析漏磁通的密度從而確定缺陷的深度、寬度等特征。漏磁檢測法除了能檢測表面缺陷外，還能檢測內部缺陷，檢測精度也較高，但對缺陷的分類識別能力較差，且不能檢測表面粗糙度。機器視覺檢測法是光學、電子學、軟件工程等學科的交叉和融合，已經成為當前各方研究的熱點，分為基于激光和基于CCD成像的檢測系統，這一點與上文尺寸精度檢測中激光檢測和計算機視覺檢測的原理相似。

圖5 灰色線性變換的結果[48]

圖6 渦流檢測原理[49]

2.2 力學性能檢測

在鍛造生產過程中，除了必須保證大型鍛件所要求的外形尺寸和表面質量外，還必須滿足鍛件在使用過程中的力學性能要求。大型鍛件受力情況復雜，其力學性能的好壞直接關系到鍛件能否達到質量檢測標準和使用壽命要求。

力學性能的檢測包括拉伸試驗、沖擊試驗、硬度試驗等測試。由于鍛件的力學性能與其纖維方向成一定的關系，取樣的位置也要具有代表性，對性能要求較高的鋁合金等金屬大型鍛件，從3個方向（縱向、切線及橫向）合理取樣進行力學性能測試為最佳[50-51]。按照GB/T 228.1《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》等國家標準制備試樣，并采用拉力試驗機、沖擊試驗機等儀器設備進行力學性能數值的測定。圖7為不同應變速率下實驗流變應力與新提出的本構模型預測流變應力的比較。

圖7 不同應變速率下實驗流變應力與新提出的本構模型預測流變應力的比較[9]

2.3 晶粒度/平均晶粒尺寸檢測

鍛件的微觀組織對其性能有著決定性的作用，當鍛件內部存在不正常組織時，不僅嚴重影響鍛件的性能，還會提高鍛件的廢品率。在工業上通常將內部晶粒的尺寸大小視為重要的技術標準，比如鋁合金的平均晶粒尺寸、高強鋼的晶粒度。晶粒度/平均晶粒尺寸是衡量晶粒大小的尺度，可以用晶粒的平均直徑或者平均面積表示，工業上通常使用晶粒度級數或者長度、面積、體積等評定或測量晶粒大小。

測量鋁合金等金屬晶粒度/平均晶粒尺寸的方法有很多，例如：金相分析法、電子顯微鏡法（SEM/ EBSD）、超聲波法、氦吸附小比表面法、X射線衍射法等，其中金相分析法在國內外被廣泛應用[52-54]。金相分析法通過測量和計算二維層次上薄膜的金相顯微組織或者合金的金相試樣磨面以確定合金組織在三位空間中的狀態形貌，以此來建立合金組織、成分以及性能之間的定量關系。圖8為采用新型鍛造工藝處理的鋁合金構件內部的EBSD結果。

2.4 斷裂韌性檢測

鋁合金等金屬材料在使用過程中會發生各種失效，斷裂是其中最為嚴重的一種失效形式，鍛件會在承載遠低于設計載荷的情況下發生斷裂。材料發生斷裂主要與鍛件內部存在的微觀裂紋有關，微觀裂紋是

在鍛件的生產和加工過程中產生的，當鍛件受到外部載荷作用時，裂紋會發生擴展造成鍛件斷裂。斷裂韌性主要通過表征裂紋尖端應力應變的參量對金屬材料的斷裂進行定量分析，應力場強度因子IC、積分、裂紋尖端張開位移（Crack Tip Opening Displa-cement，CTOD）和裂紋尖端張開角（Crack Tip Opening Angle，CTOA）是目前在斷裂韌性評價方法中應用較為廣泛的幾個參量[55-62]。金屬材料平面應變斷裂韌性IC是在裂紋尖端區域的應力處于平面應變狀態且裂紋尖端塑性變形受到約束時，材料在緩慢加載條件下的裂紋擴展抗力。積分表征彈塑性材料中裂紋擴展所需的能量值，臨界值IC可以定量描述裂紋尖端應力場強度。CTOD是指理想彈塑性材料受到加載時，在裂紋尖端處張開的相對距離，利用CTOD準則測算裂紋失穩擴展時，裂紋尖端開口的臨界值為c。上述幾種不同的斷裂韌度指標都有各自的適用領域和局限性，其中金屬材料平面應變斷裂韌性IC在線彈性斷裂力學領域具有成熟完善的理論基礎，且其測試方法相對較為簡便，在工程上的用途更為廣泛。

動態斷裂試驗有很多不同的試驗裝置，實驗方法和加載速率也是不同的，常用的實驗裝置包括電液伺服萬能材料試驗機、擺錘沖擊試驗機、落錘試驗機、Hopkinson拉/壓桿。圖9為阿什比圖，顯示出各種材料的塑性區大小取決于斷裂韌性和屈服強度[61]。

圖8 采用新型鍛造工藝處理的鋁合金構件內部的EBSD結果[8]：反極圖面分布圖（a）；晶界圖（b）；不同尺寸晶粒的面積分數（c）；帶有特征錯向范圍統計的錯向角數分數（d）

圖9 阿什比圖顯示出各種材料的塑性區大小取決于斷裂韌性和屈服強度[61]

2.5 殘余應力檢測

鋁合金等工程材料及其鍛件在成形、熱處理、機械加工以及裝配等工藝過程中，都會不同程度地產生殘余應力。殘余應力對鋁合金等金屬大型鍛件的強度、疲勞壽命、抗腐蝕能力和結構尺寸穩定性有很大影響，可以根據產生條件的不同將殘余應力分為不均勻塑性變形產生的殘余應力、熱處理產生的殘余應力和化學變化產生的殘余應力[63]。目前殘余應力的檢測方法根據其對鍛件的破壞程度可分為全破壞檢測法、半破壞檢測法和無損檢測法3類[64-70]，如圖10所示。全破壞檢測法包括輪廓法和裂紋柔度法；半破壞檢測法包括鉆孔法、壓痕法、環芯法和剖面法；無損檢測法包括X射線衍射法、中子衍射法、同步衍射法、磁測法和超聲波檢測法，超聲無損檢測如圖11所示。殘余應力的測試方法眾多，各有優劣，應根據行業生產模式不同、企業現場情況不同、鍛件形狀尺寸不同等具體情況選用適合的測試方法，依照GB/T 31310—2014《金屬材料殘余應力測定鉆孔應變法》、GB/T 7704—2017《無損檢測X射線應力測定方法》等國家標準進行測驗。對于鋁合金鍛件，工程上應用較多的殘余應力檢測方法是小孔法、環芯法和X射線衍射法。鉆孔法又被稱為小孔法或盲孔法，由于其具有對鍛件破壞性小、測量精度較高、設備輕便且便宜等特點而得到廣泛應用。環芯法也被稱為圓環法或切槽法，其破壞性比鉆孔法大，但它的應變釋放率高于鉆孔法，可測量近表面一定深度范圍內的殘余應力分布，且測試精度比鉆孔法高。X射線衍射法是殘余應力測定技術中的無損檢測方法之一，是研究最為廣泛深入且成熟的應力測定方法，缺點是X射線的穿透能力有限，僅能測量表面的殘余應力。

圖10 殘余應力檢測方法

圖11 管道殘余應力超聲檢測[70]

2.6 抗腐蝕能力檢測

解析不同環境條件下鋁合金等金屬材料的腐蝕規律、評估金屬耐蝕性能，并對試驗環境氣候條件的腐蝕性嚴酷度進行準確評級，通常需要根據實際服役條件針對性地進行腐蝕試驗、檢測分析試驗結果并深入研究[71]，各種腐蝕檢測方法見表6。其中應力腐蝕破裂作為危害較大的腐蝕形態之一在工業領域備受關注，當鍛件處在特定的環境介質中時，同時承受一定的應力，就可能產生突發的、不可預知的應力腐蝕滯后開裂[72]。應力腐蝕開裂機理最廣為人知的是陽極溶解和氫脆理論，而根據實驗目的的不同，應力腐蝕測試方法可分為電化學法、恒應變法、恒載荷法、預制裂紋法、慢應變速率拉伸法，以及針對7xxx系列鋁合金的電導率檢測法，其中電化學法包括電化學阻抗譜和電化學噪聲等[73-77]。另外，應力腐蝕檢測手段還包括聲發射技術（Acoustic Emission，AE）、長焦距顯微鏡、數字圖像相關技術（Digital Image Correlation，DIC）及形貌表征方法等原位檢測手段。對于鋁合金的抗應力腐蝕性能檢測，無論是慢應變速率拉伸還是恒載荷法，均需要較長的檢測時間，為了縮短檢測時間、提高檢測的經濟性，在實際加工過程中，通常采用電導率在線檢測。在一般情況下，電導率愈高，抗應力腐蝕性能愈好[78]。

2.7 其他檢測

在航空航天領域，為了確保鋁合金等金屬大型鍛件在使用過程中沒有任何安全隱患，對鍛件質量的要求極高，在更多情況下需要根據鍛件的使用環境進行特定的質量檢測，比如整體鍛件的疲勞壽命檢測，包括高周疲勞試驗和低周疲勞試驗。根據鍛件在使用過程中的受力情況、重要程度和工作條件，需要檢測的質量指標通常還有高溫瞬時斷裂強度、高溫持久強度、持久塑性及高溫蠕變強度等。

表6 各種腐蝕檢測方法[71]

Tab.6 Various corrosion detection methods[71]

3 能耗檢測

工業節能不僅是“十四五”工業綠色發展規劃及“雙碳”目標的要求，更是工業企業提升綜合實力的必由之路。能效管控是工業企業節能的一個重要研究方向，針對鍛造生產高能耗的特點，亟需厘清生產制造過程中能量流轉、損耗的機理。目前大多數能耗管控的研究注重于冷加工過程和金屬冶煉過程，由于鍛造過程火次多、工藝流程長、生產環境高溫重載，涉及鍛造生產單工序或多工序能耗管控方面的相關研究較少。下面就筆者的理解將工業能耗檢測分為工廠層、裝備層和產品層3個層次，以期為企業節能提供一些探索的思路。

3.1 工廠層能耗檢測

針對航空航天行業鍛造生產制造企業往往具備多個車間同時進行生產工作的特點，工廠層次的能耗檢測應當采用分布式的能源管理系統。對單個車間分別采集多源能源數據，采集的瞬時能源數據同步上傳到工業互聯網進行數據的融合處理，最終在服務器端顯示能源數據報表、圖標等功能，實現能耗分析、能源數據統計、查詢、信息共享[79]，工業互聯網結構如圖12所示。對于鍛造企業，生產過程各個工序的能耗情況不一樣，但所消耗的能源類型一致，采用能源計量儀表技術，給各車間配置用電計量儀表、用天然氣計量儀表、用水計量儀表等數據采集儀表，對工廠各車間所耗用的能源和載能工質進行計量，及時準確地獲取各類能耗數據。通過對各車間的能耗數據進行分析，明確生產制造過程各個工序的能效情況，重點剖析能效較低工序的能源耗用情況，精準找到能耗最高的薄弱點進行原因分析，并針對性地提出能源管控的措施，進一步有效降低該車間的能耗，從而提高整個工廠的能效。

3.2 裝備層能耗檢測

工序是鍛件成形的基本環節，工序質量是保障鍛件質量的基礎，每個工序都需要依靠該工序專用的生產制造裝備，故考慮裝備的能耗管控不僅有利于提高生產制造過程的能效，還有助于保障工序質量，從而保證鍛件的質量。將各工序鍛造裝備當作能源數據采集對象，配置不同種類的計量儀表用以采集鍛造裝備的耗電量、耗天然氣量以及耗水量等，通過能源分析系統得出在生產鍛件時裝備的功率和能效，找尋鍛造裝備能耗與鍛件質量之間存在的關系，能夠進一步明晰與裝備關聯性更強的質量形成機制，為通過改善工藝路徑生產質量更好的鍛件奠定了基礎，最終實現降低鍛件廢品率、提高鍛件生產制造能效的目的。

在對裝備能耗進行分析時，可以將能耗分為2類：加工能耗與基本能耗。加工能耗會因工藝和鍛件的變化而產生較大的變化，隨著加工時間變化呈非線性變化；基本能耗一般與裝備的開機運行時間有關，不因工藝和鍛件的變化而產生較大變化，與加工時間近似于線性關系，通常包括潤滑系統能耗、控制系統能耗等[80]，圖13為液壓機系統能量流模型。同時，在工序與工序之間、裝備與裝備之間存在各種各樣的生產調度擾動因素，如未及時將鍛件從加熱爐中取出、鍛件夾取操作失誤等，可以采用5M1E分析法（人、機、料、法、環、測），從人員、機器、材料、方法、環境和測量6個維度來系統地控制擾動因素對鍛件質量產生的影響，從而使能耗分析更加細致準確、更具有針對性，實現精準降低某一生產工序或某一鍛造裝備的能耗。

圖12 工業互聯網結構示意圖[79]

圖13 液壓機系統能量流模型[80]

3.3 產品層能耗檢測

當前，航空航天領域大型鍛件的生產模式以單件小批量為主，其生產周期是單個鍛件在各個工藝階段生產周期的總和。在鍛件的生產周期中，各種物料沿生產周期的軌跡流動，形成物質流；各種能源沿著轉換、使用、回收、耗散的路徑流動，形成能量流。物質流和能量流既獨立又相互聯系、彼此制約，能量流推動物質的流動和轉變，而物質流在轉變過程中又產生新的能量流[81]，工序能量流如圖14所示。鍛造過程中物質流的主體是金屬材料的流動，天然氣、煤等燃料的流動為材料的控形控性過程提供必要的能量。?（Exergy）作為一種衡量能源品質的指標，可以看作是在某種給定環境和約束條件下，一個過程或系統能夠釋放出的最大有用功或有效能。在進行鍛壓工序時，電能和天然氣的能量一部分通過裝置和燃燒轉化為熱能以及機械能，在這一過程中導致鍛件形狀改變、性能提高的能量轉化成為鍛件所擁有的能量，即?流，另一部分能量耗散在環境里提高了裝備周邊的溫度。從本質上來說，通過改變工藝參數、裝備參數使鍛件達到質量及性能要求，是在調控各個工序中材料所獲得能量的多少，因此厘清鍛件生產周期中各工序的質量與能耗的關聯機制是實現協同調控鍛件質量能耗的一大重點，是企業在保證產品質量的同時節能降耗的必經之路。

圖14 工序能量流[81]

因鍛造生產過程復雜、自動化程度不高，為了更準確地明晰能量在生產周期中的流動，除檢測計量儀表的能量數據、各工序的工藝參數及裝備參數外，還需檢測許多可控性低的擾動因素，如轉運時間、環境溫度等。再者，將材料本身視作一定量的能源，同時考慮鋸料等材料切削工序的材料浪費，可以獲知更為全面的鍛件生產周期能源流動和能效，精確把握鍛件生產周期中能耗較高的過程或工序，有針對性地實施最為適合的節能辦法，從而加強鍛造生產線上的能源管理、降低生產鍛件的能耗、提高企業生產的一次良品率和能效。

4 結論

大型鍛件作為高端裝備的關鍵承力構件，所采用的金屬材料以鋁合金和高強鋼居多，其質量直接關系著裝備的使用性能及服役安全；為滿足我國“雙碳”目標的要求，改善航空航天生產制造領域能耗管控粗放的行業現狀，實現質量能耗協同管控，推動鍛造工業向高質低耗發展是必然趨勢。本文以鋁合金等金屬鍛件為對象，回顧、歸納、分析和探索了航空航天大型鍛件精密鍛造過程缺陷形成、質量檢測與能耗監測的內容。

1）分析了大型鍛件在生產制造過程中的缺陷，將鍛件缺陷根據生產過程歸納為原材料產生的缺陷、備料產生的缺陷、加熱時產生的缺陷、鍛壓過程中產生的缺陷和鍛后熱處理中產生的缺陷5類，并分別闡述了缺陷的特點、產生原因及影響機制。

2）針對鋁合金等金屬鍛件質量檢測指標的不同，分為外觀質量、力學性能、晶粒度/平均晶粒尺寸、斷裂韌性、殘余應力、抗腐蝕能力及其他性能，對不同指標的檢測方法進行了分類歸納總結，并指出當前航空航天領域大型鍛件生產過程常見的質量檢測方法。

鍛件的結構大型多樣，工藝條件多變，質量形成機制復雜，故需要完備、便攜、不破壞鍛件的質量檢測方法。對于外觀質量，為節省人力時間，實現完整精確的自動化檢測，非接觸式測量是國內外研究的重點，包括激光測量和計算機視覺；對于其他質量，除常規通過拉伸壓縮試驗等基礎試驗檢測力學性能外，還采用TEM、EDS、XRD、EBSD等檢測方法分析鍛件微觀組織結構，由于航空航天領域常采用單件小批量的生產模式，其質量檢測自然是更傾向于無損檢測，X射線、超聲檢測等易操作、耗時短的無損檢測方法無疑是現在研究的熱點。

3）按照工廠層、裝備層和產品層3個層次分別提出生產制造過程能耗檢測的方法，有針對性地闡明不同層次節能降耗的理論依據，在考慮不同層次生產擾動因素的同時，在工廠層引入分布式工業互聯網布局，在裝備層引入5M1E分析法，在產品層引入?流，便于精準定位高能耗的環節，提出準確有效的方案，解決能耗突出環節的問題，為航空航天鍛造行業提供了高效低耗轉型發展的新思路。

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Detection Method for Production Quality and Energy Consumption of Large Forgings in Aerospace

MA Huijuan, GONG Zhiang, HU Zhili*, HUA Lin

(a. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components; b. Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology; c. Hubei Research Center for New Energy & Intelligent Connected Vehicle School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

As a crucial precision forming method in the aerospace manufacturing industry, forging process is widely used in mass production of structural parts for large aircraft and rockets. The production quality of the forgings is often highly demanded, and the huge energy consumption of forging process directly affects the economic benefits of enterprises and indirectly causes many environmental pollution problems. To strive for the early realization of China’s “carbon peaking and carbon neutrality” and continuously advance the transformation of the manufacturing industry and the adjustment of the energy structure, it is urgent to take energy-saving measures on the basis of ensuring the quality of forgings. Focusing on the defects and core quality requirements of large forgings in aerospace, especially for aluminum alloy and other metals, the forging production process was divided into five main stages: raw materials, preparation, heating, forging, post-forging heat treatment, and the potential forging defects, their causes, and the resulting impacts were summarized step by step. In addition, the current research status of detection methods for quality requirements such as appearance quality, mechanical performance, crystallite size/average grain size, fracture toughness, residual stress, and corrosion resistance was systematically clarified to provide guidance for the crucial quality detection research of large forgings made of metals like aluminum alloy. Simultaneously, considering the extensive energy consumption characteristics of the forging process for large metal components, energy consumption detection methods were explored at three levels: factory, equipment, and product. The methods provide a theoretical research thought on improving energy efficiency, and offer guidance for achieving energy-saving goals in the aerospace sector’s large forgings. The theoretical approach plays a crucial guiding role in key quality and energy consumption detection of large metal forgings represented by aluminum alloy in the transformation and development of high-quality, low-consumption manufacturing in the forging industry.

aluminum alloy; large forging; defect; quality detection; energy consumption detection

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.03.002

TG146

A

1674-6457(2024)03-0016-16

2024-01-05

2024-01-05

國家重點研發計劃（2023YFB3307600）；武漢市知識創新專項——曙光計劃項目

National Key Research and Development Program of China (2023YFB3307600); Knowledge Innovation Program of Wuhan: Shuguang Project

馬慧娟, 龔智昂, 胡志力, 等. 航空航天大型鍛件質量與生產能耗檢測方法[J]. 精密成形工程, 2024, 16(3): 16-31.

MA Huijuan, GONG Zhiang, HU Zhili, et al. Detection Method for Production Quality and Energy Consumption of Large Forgings in Aerospace[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(3): 16-31.

（Corresponding author）