我國(guó)輥鍛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

曹樹(shù)森　于　江

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司重型機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，四川618013)

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我國(guó)輥鍛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

曹樹(shù)森于江

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司重型機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，四川618013)

“十二五”規(guī)劃《綱要》把節(jié)能減排作為我國(guó)技術(shù)裝備和服務(wù)水平的約束性指標(biāo)后，鍛壓設(shè)備行業(yè)開(kāi)始快速走上了節(jié)能環(huán)保道路。由于輥鍛工藝是連續(xù)局部塑性變形，變形力小，所需設(shè)備作用力小。與其他鍛壓設(shè)備相比，輥鍛機(jī)具有設(shè)備投資小、生產(chǎn)率高、對(duì)廠房和基礎(chǔ)要求低等優(yōu)點(diǎn)，并且易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，因而輥鍛機(jī)已成為鍛壓行業(yè)中的首選設(shè)備?，F(xiàn)階段，輥鍛機(jī)在汽車(chē)、拖拉機(jī)、飛機(jī)、動(dòng)力機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工具以及日用品制造等工業(yè)部門(mén)中均越來(lái)越受到重視，具有非常大的市場(chǎng)前景[1]。

1輥鍛機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)

輥鍛機(jī)是一種鍛壓機(jī)械，它是利用一對(duì)相向旋轉(zhuǎn)的扇形模具使坯料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需鍛件或鍛坯的鍛造工藝，輥鍛原理如圖1所示。由圖1可以看出，在輥鍛變形過(guò)程中，坯料在高度方向經(jīng)輥鍛模壓縮后，除一小部分金屬橫向流動(dòng)外，大部分金屬沿坯料的長(zhǎng)度方向流動(dòng)。因此，輥鍛變形的實(shí)質(zhì)是坯料在壓力下的延伸變形過(guò)程，適用于減小坯料截面的工序，如軸類(lèi)件的拔長(zhǎng)，板坯的碾片等。在工業(yè)應(yīng)用中，輥鍛既可作為模鍛前的制坯工序，為長(zhǎng)軸類(lèi)鍛件提供鍛造用毛坯(稱(chēng)為制坯輥鍛)；亦可在輥鍛機(jī)上實(shí)現(xiàn)主要的鍛件成形過(guò)程或直接輥制出鍛件(稱(chēng)為成形輥鍛)。輥鍛機(jī)按其結(jié)構(gòu)和用途可分為懸臂式(工作部分懸伸在床身外部)、雙支承式(工作鍛輥用軸承支承在兩個(gè)直立的機(jī)架中)、復(fù)合式(懸臂式和雙支承式這兩部分的復(fù)合)及專(zhuān)用輥鍛機(jī)(專(zhuān)門(mén)為輥制某些特殊工藝要求的鍛件而設(shè)計(jì)的)等四類(lèi)[2]。目前應(yīng)用最廣泛的是雙支承式輥鍛機(jī)，其主要組成部分為機(jī)架、輥鍛裝置、中間軸裝置、平衡裝置、機(jī)架移動(dòng)裝置、離合器、制動(dòng)器、電機(jī)裝置、飛輪制動(dòng)器、終端開(kāi)關(guān)裝置、氣動(dòng)、潤(rùn)滑、水冷裝置等，如圖2所示。

(a)輥鍛開(kāi)始階段　　(b)輥鍛結(jié)束階段

1—保護(hù)罩　2—大齒輪　3—機(jī)架　4—上齒輪　5—左機(jī)架　6—右機(jī)架　7—離合器　8—飛輪圖2　 輥鍛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)Figure 2　Main configuration of roll forging press

2輥鍛機(jī)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

輥鍛機(jī)最早在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用，尤其是在重型機(jī)械行業(yè)非常發(fā)達(dá)的德國(guó)。早在20世紀(jì)50年代，熱模鍛壓力機(jī)開(kāi)始得到迅速發(fā)展。但由于熱模鍛壓力機(jī)不適合拔長(zhǎng)、滾壓等制坯工序，在模鍛軸類(lèi)鍛件時(shí)必須配備制坯輔助設(shè)備，因此促進(jìn)了輥鍛機(jī)的應(yīng)用和推廣。我國(guó)對(duì)輥鍛機(jī)的應(yīng)用是在20世紀(jì)70年代開(kāi)始的。當(dāng)時(shí)為了滿足國(guó)內(nèi)對(duì)輥鍛機(jī)的需求，1978年12月，我國(guó)機(jī)械部重礦局通過(guò)中國(guó)機(jī)械進(jìn)出口總公司從德國(guó)EUMUCO公司引進(jìn)了全套技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)ARWS型系列自動(dòng)輥鍛機(jī)，使得我國(guó)可以生產(chǎn)和世界水平同步的最先進(jìn)的輥鍛機(jī)[3]。到目前為止，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的主要還是這種類(lèi)型的輥鍛機(jī)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)輥鍛機(jī)的廠家主要是中國(guó)二重和北京機(jī)電所兩家單位。北京機(jī)電所在提供設(shè)備的同時(shí)還可提供輥鍛工藝與模具技術(shù)。近幾十年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在輥鍛機(jī)方面也進(jìn)行了大量研究。 1992年，李東平、崔力生、付沛福等介紹了輥鍛技術(shù)的特點(diǎn)與使用范圍，論述了當(dāng)時(shí)農(nóng)機(jī)行業(yè)輥鍛技術(shù)的應(yīng)用情況，并針對(duì)農(nóng)機(jī)行業(yè)中的鍛壓行業(yè)與國(guó)內(nèi)外的差距提出了在農(nóng)機(jī)行業(yè)擴(kuò)大應(yīng)用及發(fā)展輥鍛技術(shù)的建議[4]。2001年田碩、馬芝青、王圓等研究了新型閘瓦銷(xiāo)的輥鍛工藝，通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比，分析了輥鍛機(jī)研制中兩個(gè)主要參數(shù)(壓力、功率)的確定原則，確定出了壓力及功率合理的選用值[5]。2002年濟(jì)南大學(xué)的王強(qiáng)、何芳與德國(guó)的Hermann Eratz等以輥鍛模具為對(duì)象開(kāi)發(fā)了三維CAD專(zhuān)用軟件VeraCAD。該軟件能夠自動(dòng)生成輥鍛毛坯圖，優(yōu)化輥鍛工藝過(guò)程，反求原始毛坯及中間道次的坯料形狀及尺寸，最終生成模具三維型腔或電極NC加工數(shù)據(jù)文件，繪制二維模具圖紙[6]。2004年吉林大學(xué)的李世彬?qū)ψ詣?dòng)輥鍛機(jī)機(jī)械手進(jìn)行了研究，分析了輥鍛機(jī)自動(dòng)機(jī)械手關(guān)鍵部件的力學(xué)性能參數(shù)，分析了采用液壓控制系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)相結(jié)合的控制方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，并設(shè)計(jì)了自動(dòng)輥鍛機(jī)機(jī)械手控制的人機(jī)交互界面[7]。2002年華中科技大學(xué)的陳建全對(duì)汽車(chē)前軸精密成型輥鍛及模鍛工藝與模具進(jìn)行了CAD技術(shù)開(kāi)發(fā)，在分析傳統(tǒng)計(jì)算毛坯設(shè)計(jì)不足的基礎(chǔ)上，論述了前軸CAD系統(tǒng)獲取計(jì)算毛坯橫截面面積的原理，對(duì)比恒定步長(zhǎng)算法，提出了一種變步長(zhǎng)的算法[8]。2003年，北京機(jī)電所的蔣鵬、羅守靖、胡福榮等研究了ARWS型自動(dòng)輥鍛機(jī)與加熱爐、模鍛主機(jī)的連接方式[9]。2004年華中科技大學(xué)的劉桂華與北京機(jī)電所的任廣升、徐春國(guó)等利用軟件Deform3D建立了輥鍛變形過(guò)程的剛粘塑性有限元系統(tǒng)模型。對(duì)圓—橢圓—圓型槽系中的輥鍛變形過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研究了輥鍛三維變形過(guò)程中材料的流動(dòng)速度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的特征及其動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，討論了不同變形參數(shù)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響[10]。2005年胡福榮、蔣鵬、余光中等把CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用在了前軸精密輥鍛模具設(shè)計(jì)制造中。采用先進(jìn)設(shè)計(jì)手段、合理設(shè)計(jì)前軸精密輥鍛模具以達(dá)到優(yōu)化工藝、縮短調(diào)試時(shí)間的目的[11]。2006年中北大學(xué)的于建民、張治民、李保成等用MSC/superform軟件對(duì)葉片輥鍛工藝用對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了坯料輥鍛過(guò)程中金屬的流動(dòng)情況、等效應(yīng)變的分布和輥鍛力矩，優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，為葉片輥鍛制坯工藝的制定提供了依據(jù)[12]。2007年吉林大學(xué)的宋玉泉、王明輝、宋家旺等研制出一種新型精成形輥鍛機(jī)。該新型輥鍛機(jī)通過(guò)在傳統(tǒng)輥鍛機(jī)的上鍛輥與下鍛輥之間增設(shè)凹模板，通過(guò)齒圈齒條結(jié)構(gòu)使其同步移動(dòng)，使工件的軸向和橫向均受到凹模約束，改善了傳統(tǒng)輥鍛機(jī)不能精成形的難題[13]。2011重慶大學(xué)的柳豪、周杰等研究了某型號(hào)重卡前軸成形輥鍛工藝數(shù)值模擬輔助設(shè)計(jì)及優(yōu)化問(wèn)題，解決了美國(guó)某型號(hào)重卡前軸成形輥鍛工藝調(diào)試中鍛件在彈簧板與工字梁部位折疊、工字梁部位充不滿等缺陷[14]。到目前為止，國(guó)內(nèi)對(duì)于輥鍛機(jī)的研究基本都集中在改善當(dāng)前輥鍛工藝及輥鍛機(jī)輔助設(shè)備的研制上，而針對(duì)輥鍛機(jī)本身的研究卻鮮有報(bào)道。由于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量輥鍛并非是一個(gè)單純的工藝問(wèn)題，必須克服現(xiàn)有輥鍛機(jī)的缺點(diǎn)和不足，因此如何研制出能滿足精密成型的輥鍛機(jī)就顯得尤為重要。當(dāng)前針對(duì)輥鍛設(shè)備本身的研發(fā)才剛剛起步，具有很大的研發(fā)潛力。

3輥鍛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展前景

3.1　重型化

自改革開(kāi)放以來(lái)，在我國(guó)工業(yè)增加值的構(gòu)成中，重工業(yè)的比例不斷上升，經(jīng)歷了一個(gè)“產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)重型化”的過(guò)程。2006年以來(lái)，重工業(yè)產(chǎn)值在工業(yè)總產(chǎn)值中的比重再創(chuàng)新高，上升到70%以上，至2008年，這一比例更是上升到71.33%[15]。以輥鍛機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域汽車(chē)行業(yè)為例，從世界各國(guó)重型車(chē)發(fā)展歷史看，各國(guó)專(zhuān)用汽車(chē)、柴油機(jī)車(chē)、礦山機(jī)械等都已經(jīng)顯示出重型化、專(zhuān)業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)。各國(guó)汽車(chē)制造公司都將載貨汽車(chē)重型化、發(fā)動(dòng)機(jī)大功率化以及高科技裝備化作為產(chǎn)品研制和開(kāi)發(fā)的發(fā)展方向。重型車(chē)的發(fā)展已經(jīng)成為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的動(dòng)力，直接推動(dòng)國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向重型化升級(jí)。隨著重工業(yè)比例的提高，重型車(chē)需求量的迅猛增加，大幅度提升了市場(chǎng)對(duì)大型零件的需求。這將導(dǎo)致原有的鍛壓設(shè)備噸位不足，因而推動(dòng)了對(duì)大型、重型鍛造設(shè)備的需求。由于輥鍛機(jī)的優(yōu)勢(shì)及其節(jié)能性的特點(diǎn)，對(duì)大型輥鍛機(jī)的需求量自然大幅增加?，F(xiàn)在市面上應(yīng)用的輥鍛機(jī)最大的做到了1 100 mm。遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了當(dāng)前的需要，所以今后幾年，應(yīng)加快對(duì)大型輥鍛機(jī)的研制，并盡快投入市場(chǎng)。

3.2　綠色鍛造

為了應(yīng)對(duì)越來(lái)越嚴(yán)峻的資源、環(huán)境壓力，鍛造工業(yè)提出了采用綠色鍛造的可持續(xù)發(fā)展模式。綠色制造作為一種綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造方式，其目標(biāo)是使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，對(duì)環(huán)境的影響(負(fù)作用)最小，資源效率最高，并使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。鍛造作為傳統(tǒng)的熱加工行業(yè)，生產(chǎn)過(guò)程中能耗高、污染大、生產(chǎn)環(huán)境惡劣，因此迫切需要采用這種綠色制造模式，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代鍛造企業(yè)[16]。為順應(yīng)綠色鍛造的社會(huì)發(fā)展要求，輥鍛機(jī)在設(shè)計(jì)及使用過(guò)程中要走綠色發(fā)展之道，要按照資源使用效率最高、環(huán)境影響最小的理念，遵循節(jié)能、環(huán)保、安全、高效的原則。

3.3　精密輥鍛技術(shù)

隨著我國(guó)制造行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)逐步從附加值低的粗放型制造邁向附加值高、技術(shù)含量高的精密型制造，相應(yīng)地對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量也提出了越來(lái)越高的要求。諸如一些軍工產(chǎn)品、航空航天產(chǎn)品、儀器儀表產(chǎn)品、汽車(chē)產(chǎn)品、微型機(jī)械產(chǎn)品，其精度要求已達(dá)到微米級(jí)、亞微米級(jí)，甚至納米級(jí)。這樣的精度要求決定了發(fā)展精密加工、超精密加工技術(shù)[17]。精密加工技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了機(jī)械、電子、光學(xué)、液壓、傳感器、測(cè)量技術(shù)及材料科學(xué)的發(fā)展，同時(shí)也提高了對(duì)整個(gè)鍛造行業(yè)包括輥鍛機(jī)的技術(shù)水平和加工精度的更高要求。另外，目前原材料成本在鍛造成本構(gòu)成中占到60%以上，我國(guó)輥鍛機(jī)的材料利用率在80%左右，提高材料利用率，降低金屬損耗的潛力相當(dāng)可觀。要想持續(xù)站穩(wěn)輥鍛機(jī)市場(chǎng)，勢(shì)必要提高輥鍛機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量，提高輥鍛精密成型的性能，大大提高材料的利用率，才能保持輥鍛機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

3.4　潤(rùn)滑技術(shù)

現(xiàn)有的輥鍛機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件較多，潤(rùn)滑點(diǎn)特別多，但潤(rùn)滑技術(shù)卻相對(duì)落后。例如關(guān)鍵的齒輪潤(rùn)滑及滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑均采用開(kāi)式潤(rùn)滑，不僅浪費(fèi)潤(rùn)滑油，影響美觀，污染環(huán)境，且由于輥鍛件是高溫作業(yè)，容易帶來(lái)安全隱患。因此輥鍛機(jī)的潤(rùn)滑技術(shù)也急需改進(jìn)。

另外，國(guó)外一些有實(shí)力的大型鍛造公司現(xiàn)已大規(guī)模運(yùn)用機(jī)器人來(lái)代替人工生產(chǎn)，效益及安全性顯著增加，而我國(guó)目前只有少數(shù)的鍛造公司運(yùn)用機(jī)器人。一直以來(lái)以人工為主、勞作力密布的鍛造職業(yè)，機(jī)器人的使用將是大勢(shì)所趨。在10年時(shí)間內(nèi)，我國(guó)將大步跨進(jìn)工業(yè)機(jī)器人年代。因此，在輥鍛工藝設(shè)計(jì)中要充分考慮與機(jī)器人合理高效的連接，使輥鍛機(jī)跟上鍛壓行業(yè)高效自動(dòng)化的時(shí)

代。配備制作業(yè)作為我國(guó)的基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)，在將來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)前行中發(fā)揮著不可代替的作用。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化程度的深入，我國(guó)鍛件總產(chǎn)量不斷攀升，鍛造技術(shù)不斷前進(jìn)。而我國(guó)鍛造要從大國(guó)邁向強(qiáng)國(guó)，完成綠色鍛造、低碳鍛造方針，以工業(yè)機(jī)器人為中心的智能化與主動(dòng)化配備改造，無(wú)疑將為鍛造公司提高競(jìng)爭(zhēng)力，體現(xiàn)先進(jìn)制作優(yōu)勢(shì)，贏得市場(chǎng)商機(jī)供給更加有力的支持。

4結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施步伐的加大，帶動(dòng)了我國(guó)鍛壓工業(yè)的蓬勃發(fā)展。在當(dāng)前國(guó)家大力推動(dòng)節(jié)能減排的形勢(shì)下，貫徹節(jié)能、環(huán)保、安全、高效的“綠色鍛造”理念，對(duì)鍛造行業(yè)顯得尤為重要。打造綠色環(huán)保的鍛造行業(yè)已是現(xiàn)今業(yè)內(nèi)勢(shì)在必行的舉措。輥鍛機(jī)以其具有設(shè)備投資小、生產(chǎn)率高、對(duì)廠房和基礎(chǔ)要求低等優(yōu)點(diǎn)獲得迅速發(fā)展的契機(jī)。當(dāng)前輥鍛機(jī)廠家應(yīng)該抓住這個(gè)契機(jī)，順應(yīng)時(shí)勢(shì)發(fā)展需要，在設(shè)計(jì)及使用過(guò)程中走綠色發(fā)展之道，積極創(chuàng)新研發(fā)出新的產(chǎn)品，大力推動(dòng)綠色生產(chǎn)以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

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編輯傅冬梅

摘要：介紹了輥鍛機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)，分析了輥鍛機(jī)與其它鍛壓設(shè)備相比所具有的突出優(yōu)越性。對(duì)輥鍛機(jī)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用及研究發(fā)展現(xiàn)狀及其當(dāng)前急需解決的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及進(jìn)行了闡述。對(duì)輥鍛機(jī)進(jìn)一步的研究方向提出了幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：輥鍛機(jī)；綠色鍛造；節(jié)能；鍛壓

Current Status and Forecasts of Roll Forging Press Development in China

Cao Shusen, Yu Jiang

Abstract：Working principle, configuration and property characteristics of roll forging press have been described, and excellence of the roll forging press in advance of other presses have been analyzed. Application and research and development of the press as well as main technical issues which were supposed to solve urgently in domestic at present have also been illustrated. Suggestions on further research direction of the roll forging press have been put forward.

Key words：roll forging press; Green forging; energy conservation; forging press

收稿日期：2014—12—08

中圖分類(lèi)號(hào)：TG318

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A