協(xié)同創(chuàng)新 研發(fā)多向模鍛技術(shù)

文/張旭棟·FM記者

多向模鍛是在多向模鍛液壓機(jī)上進(jìn)行分模模鍛的一種鍛造技術(shù)，與普通模鍛及分模模鍛相比，它具有以下特點(diǎn)：(1)能使結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜鍛件成形，顯著提高材料利用率和減少機(jī)械加工工時；(2)有助于提高零件的力學(xué)性能；(3)模具結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，制造成本低，使用維護(hù)方便，模具冷卻與潤滑效果好。

由于多向模鍛具有以上特點(diǎn)，因此被廣泛用于航空、汽車拖拉機(jī)制造、原子能工業(yè)等行業(yè)中，其中有關(guān)中空架體、活塞、軸類、筒形件、大型閥體、管接頭、飛機(jī)起落架、發(fā)動機(jī)機(jī)匣、盤軸組合件等鍛件，已開始采用多向模鍛的工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

2021年之前我國并沒有專門的工程中心研究多向模鍛技術(shù)。在2021年2月，上海電機(jī)學(xué)院經(jīng)上海市科委批準(zhǔn)成立了上海多向模鍛工程技術(shù)研究中心填補(bǔ)了國內(nèi)這一空白。近期，《鍛造與沖壓》記者有幸采訪了上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院(以下簡稱“學(xué)院”)教授、中國鍛壓協(xié)會多向模鍛技術(shù)專業(yè)委員會干事長辛紹杰先生，聽他給我們講一講他與多向模鍛技術(shù)的不解之緣。

結(jié)緣鍛造

辛教授與鍛造行業(yè)的緣分，要從學(xué)院2011年承擔(dān)上海重型機(jī)器廠有限公司的大型鍛件加工設(shè)備—核電封頭鍛造專用工作轉(zhuǎn)臺開發(fā)項(xiàng)目開始，他參與了項(xiàng)目實(shí)施全過程，對應(yīng)用該設(shè)備進(jìn)行大型鍛件的鍛造有了深刻認(rèn)識，也見證了學(xué)院承擔(dān)的上海重型機(jī)器廠有限公司委托的關(guān)于鍛壓設(shè)備、輔具和典型鍛件制造的企業(yè)重大專項(xiàng)課題以及學(xué)校與上重等企業(yè)共同承擔(dān)的國家重大專項(xiàng)的實(shí)施過程。

自2017年負(fù)責(zé)機(jī)械工程學(xué)科以來，辛教授便在學(xué)院前期研究的基礎(chǔ)上將多向模鍛技術(shù)作為學(xué)科和個人的研究方向，結(jié)合企業(yè)需求，形成了多套模具設(shè)計(jì)方案，獲得多項(xiàng)發(fā)明專利，組織了多向模鍛機(jī)的設(shè)計(jì)工作，也組織了多向模鍛實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)工作，如上海市高原學(xué)科-機(jī)械工程經(jīng)過2018-2020的建設(shè)，通過了驗(yàn)收，2021年成功獲批成立上海多向模鍛工程技術(shù)研究中心(以下簡稱“研究中心”)。

扎根學(xué)院

辛教授自2006年來到學(xué)院，便扎根于此，至今已15個年頭。學(xué)院是一所面向先進(jìn)制造業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)，以工學(xué)為主，經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)、文學(xué)、藝術(shù)學(xué)、理學(xué)等學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的普通高等院校。學(xué)院成立于1953年，初時校名為上海電器制造學(xué)校。學(xué)院于2013年獲批的 “上海市大型鑄鍛件制造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心”為上海市協(xié)同創(chuàng)新中心；“大件熱制造工程技術(shù)研究中心”和“多向模鍛工程技術(shù)研究中心”獲批上海市工程技術(shù)研究中心；“上海裝備制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究中心”被列入上海高校人文社會科學(xué)重點(diǎn)研究基地。學(xué)校在長三角地區(qū)建有8個技術(shù)轉(zhuǎn)移分中心，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作向縱深發(fā)展。

機(jī)械學(xué)院

機(jī)械學(xué)院創(chuàng)建于1953年，前身為上海電器制造學(xué)校機(jī)械制造科。機(jī)械學(xué)院與企業(yè)合作的“大型先進(jìn)壓水堆核電核島主設(shè)備超大型鍛件研制及工程應(yīng)用”項(xiàng)目獲得上海市科技進(jìn)步獎一等獎；“開放式數(shù)控軟硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”、“超超臨界發(fā)電裝備材料關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用”等項(xiàng)目獲得上海市科技進(jìn)步二等獎；還有多項(xiàng)成果獲行業(yè)學(xué)會科技進(jìn)步二等獎及上海市科技進(jìn)步三等獎等。

研究中心

研究中心是上海市科委批準(zhǔn)成立的市級工程技術(shù)研究中心。研究中心的總體目標(biāo)是：以關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新為目標(biāo)，以上海市多向模鍛戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重大共性與關(guān)鍵技術(shù)的工程化問題為導(dǎo)向，建立公共研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化服務(wù)平臺，解決多向模鍛壓機(jī)設(shè)計(jì)、成形工藝、模具制造、智能產(chǎn)線等的基礎(chǔ)理論、工程實(shí)現(xiàn)和規(guī)?；茝V應(yīng)用等關(guān)鍵共性問題。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和技術(shù)研發(fā)、對外開放服務(wù)、科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化、培養(yǎng)和聚集高層次工程技術(shù)人才、示范應(yīng)用、國內(nèi)外科技合作與交流等，形成企業(yè)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品定型，促進(jìn)并引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，為上海市“五個中心”和具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心的建設(shè)提供多向模鍛先進(jìn)成形方法的創(chuàng)新成果、研究團(tuán)隊(duì)和服務(wù)平臺支撐。

主要研究方向包括：(1)多向模鍛成形理論與應(yīng)用技術(shù)研究；(2)多向模鍛壓力機(jī)與智能化控制技術(shù)的研究；(3)模具設(shè)計(jì)制造與模具表面改性技術(shù)研究。

中心的主要任務(wù)是：(1)創(chuàng)建國內(nèi)領(lǐng)先的多向模鍛工程技術(shù)研究中心；(2)開展應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推廣；(3)開展相應(yīng)的公共服務(wù),承擔(dān)重大研發(fā)任務(wù)。

多向模鍛技術(shù)專業(yè)委員會(以下簡稱“專委會”)

學(xué)院于2021年5月31日向中國鍛壓協(xié)會遞交了“申請成立中國鍛壓協(xié)會多向模鍛技術(shù)專業(yè)委員會的函”，2021年7月16日結(jié)束的中國鍛壓協(xié)會第八屆第六次常務(wù)理事會會議通過了成立申請。專委會設(shè)主任委員一名，副主任委員單位八家，執(zhí)行委員單位十二家。

專委會將開展如下工作：(1)做好行業(yè)調(diào)查與研究；組織成員單位參加經(jīng)濟(jì)技術(shù)交流、人才培訓(xùn)、國內(nèi)外考察調(diào)研；舉辦多向模鍛技術(shù)研討會，促進(jìn)技術(shù)交流。(2)發(fā)展多向模鍛成員單位，建立成員單位數(shù)據(jù)庫，及時掌握多向模鍛成形工藝、技術(shù)裝備、生產(chǎn)能力及經(jīng)營管理現(xiàn)狀，開展行業(yè)咨詢服務(wù)。(3)協(xié)助企業(yè)貫徹國家標(biāo)準(zhǔn)，組織有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的研究與學(xué)習(xí)，制定并推廣適合我國行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的行規(guī)與行約。(4)承擔(dān)政府部門和行業(yè)單位委托的項(xiàng)目，參與行業(yè)開發(fā)、改造、技術(shù)成果鑒定以及新工藝、新技術(shù)、新材料的推廣應(yīng)用工作。(5)促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新，組織專家組會同成員單位，解決多向模鍛共性技術(shù)，攻克關(guān)鍵技術(shù)，突破企業(yè)發(fā)展的技術(shù)“瓶頸”，致力于成員單位綜合實(shí)力的提升，促進(jìn)民族品牌的發(fā)展壯大。

仰取俯拾

“學(xué)院擁有高水平多向模鍛技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)，參與了關(guān)于鍛件國家標(biāo)準(zhǔn)的制定，聯(lián)合出版了國內(nèi)首部多向模鍛技術(shù)專著，開展了多向模鍛技術(shù)的理論研究和應(yīng)用技術(shù)研究，并取得了多項(xiàng)研究成果?！毙两淌谙蛭覀兘榻B學(xué)院多向模鍛技術(shù)團(tuán)隊(duì)在鍛造科研方面取得的成果時說到。

6.5MN多向模鍛擠壓液壓機(jī)

多向模鍛技術(shù)團(tuán)隊(duì)在研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)建造了6.5MN多向模鍛擠壓液壓機(jī)，該壓機(jī)的本體采用整體板框結(jié)構(gòu)，多向模鍛的合模采用4缸對稱分布，主穿孔缸位于4合模缸的中心,全部為缸底支撐；兩水平缸為拉桿缸底支撐，除此之外，為實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的目的，主穿孔缸活塞設(shè)計(jì)制造為空心活塞，當(dāng)作為擠壓液壓機(jī)時，活塞孔即為擠壓產(chǎn)品的出料孔，下橫梁設(shè)有多向模鍛的頂出缸，此缸還是擠壓時的芯棒驅(qū)動缸。6.5MN多向模鍛液壓機(jī)設(shè)計(jì)制造有移動工作臺，方便模具的裝卸，為保證移動工作臺復(fù)位準(zhǔn)確，采用雙向方錐鍵定位。

10.0MN 多向模鍛液壓機(jī)

多向模鍛技術(shù)團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)制造了一臺10.0MN多向模鍛液壓機(jī)，該壓機(jī)本體采用4柱預(yù)緊結(jié)構(gòu)，合模采用4缸方式，主穿孔缸位于4合模缸的中心。動梁滑塊八面導(dǎo)向，為減小偏載載荷狀況下立柱的變形，提高滑塊的運(yùn)動精度，采用了滑塊加強(qiáng)立柱的結(jié)構(gòu)。主穿孔缸與水平缸均采用復(fù)合缸，使得壓機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，除此之外，由于凸模分為可以相對運(yùn)動的兩部分，可有效地改變坯料充填模腔的順序，減小坯料在充填模腔過程中的反流，這不僅節(jié)省能量、減少模腔的磨損，還可防止鍛件表面折疊或內(nèi)部撕裂。對于閥體、缸體鍛件也能有效地減小壁厚的偏差。

無法蘭三通閥體的多向模鍛

多向模鍛技術(shù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了火電機(jī)組應(yīng)用的一種無法蘭三通閥體多向模鍛工藝，它的三個通道出口都沒有法蘭，采用焊接的方法與外部管道連接。無法蘭三通閥體的另一形狀特點(diǎn)是，主通道內(nèi)徑遠(yuǎn)大于兩側(cè)通道，且主通道深，它的技術(shù)難點(diǎn)是兩側(cè)分料均勻，主通道穿孔偏差小和較高的主穿孔凸模壽命。

帶側(cè)法蘭三通閥體的多向模鍛

多向模鍛技術(shù)團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了帶側(cè)法蘭三通閥體多向模鍛工藝，該閥體多用于石油化工行業(yè)，它的技術(shù)難度較無法蘭三通閥體大，主要集中在兩側(cè)法蘭的成形與測通道的穿孔。帶側(cè)法蘭三通閥體的多向模鍛，通常它是由主模腔擠壓坯料向兩側(cè)模腔流動分料,由于兩側(cè)臂部模腔較細(xì)長,坯料流動阻力大且不等,導(dǎo)致兩側(cè)分料不均，造成后面法蘭成形不佳，其次是，端部坯料降溫大，再加上坯料端部形狀差，更加影響法蘭的最后形狀與尺寸。

帶主法蘭三通閥體的多向模鍛

多向模鍛技術(shù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了帶主法蘭三通閥體多向模鍛工藝，其名字源于它的主通道端部帶有法蘭，由于法蘭與側(cè)通道之間，有一小圓柱段，當(dāng)分模面垂直于主軸線時，鍛件不能脫模，因此，采用現(xiàn)有多向模鍛液壓機(jī)進(jìn)行鍛造時，必須采用垂直分模方式，并增加輔助合模裝置。

全法蘭三通閥體的多向模鍛

全法蘭三通閥體，它的每個通道端部都設(shè)有法蘭，其名也得于此，是幾何形狀最復(fù)雜的閥體。這是多向模鍛技術(shù)團(tuán)隊(duì)的又一項(xiàng)成果，由于幾何形狀復(fù)雜，它的成形過程也相應(yīng)更為復(fù)雜，它兼具前面三種閥體的鍛造成形的技術(shù)難點(diǎn)，首先它需要采用垂直分模的鍛造方式，其次是法蘭成形與坯料的分料同時進(jìn)行，再次是坯料的分料流動量大。

大型曲拐鍛造

大型組合曲軸是船舶制造不可缺少的部件，曲拐是大型組合曲軸制造不可缺少的零件，多向模鍛技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過試驗(yàn)研究，掌握了曲拐鍛造的工藝，成功鍛造了1:5和1:1的鍛件。

采用拉深技術(shù)制造的第二代核電水室封頭1:5樣件

異形封頭拉深

異形封頭是制造容器不可缺少的零件，多向模鍛技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過試驗(yàn)研發(fā)異形封頭拉深成形的技術(shù)。

護(hù)環(huán)制造技術(shù)

護(hù)環(huán)是火電機(jī)組的重要部件，多向模鍛技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過試驗(yàn)研發(fā)了60萬千瓦的制造技術(shù)。

未來可期

談到研究中心未來幾年的發(fā)展計(jì)劃時，辛教授這樣回答到：“成立上海多向模鍛工程技術(shù)研究中心，發(fā)揮上海在全國多向模鍛技術(shù)應(yīng)用研究領(lǐng)域的引領(lǐng)作用，通過協(xié)同創(chuàng)新攻克相關(guān)“卡脖子”和前瞻性技術(shù)，使多向模鍛成為推動鍛造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提高企業(yè)創(chuàng)新力的新動力。同時，多向模鍛技術(shù)符合我國特別是上海臨港新片區(qū)低碳、先進(jìn)制造的發(fā)展需求，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會意義。

“研究中心將在2022年年底達(dá)到以下目標(biāo)：(1)加強(qiáng)多向模鍛相關(guān)理論和關(guān)鍵共性技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)研究，系統(tǒng)地構(gòu)建裝備設(shè)計(jì)、成形工藝、數(shù)值模擬、模具制造等基礎(chǔ)理論體系和應(yīng)用技術(shù)體系。尤其是解決多向模鍛壓機(jī)關(guān)鍵共性技術(shù)、新能源傳動系統(tǒng)VL型球籠多向模鍛成形技術(shù)和研究開發(fā)預(yù)應(yīng)力組合式硬質(zhì)合金材質(zhì)的高精度、高強(qiáng)度、高壽命成形模具，解決模具表面涂層，精密拋光等關(guān)鍵制造技術(shù)，提高產(chǎn)品精度和模具的使用壽命。(2)組建多向模鍛裝備研發(fā)和成形技術(shù)轉(zhuǎn)化平臺，為行業(yè)提供多向模鍛工程化試驗(yàn)與驗(yàn)證的環(huán)境及相關(guān)技術(shù)咨詢和人員培訓(xùn)服務(wù)。(3)初步實(shí)現(xiàn)多向模鍛技術(shù)成果的工程化或中試轉(zhuǎn)化。持續(xù)不斷地將具有廣泛市場需求或亟需國產(chǎn)替代的有關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)化、配套化和工程化地研究開發(fā)，為企業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)提供成熟配套的先進(jìn)技術(shù)、工藝及其技術(shù)產(chǎn)品或裝備，并不斷地推出具有高增值效益的系列新產(chǎn)品，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量快速發(fā)展。實(shí)行開放服務(wù)，通過市場機(jī)制搭建技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新之間的橋梁和平臺。

“到2025年年底，研究中心達(dá)到目標(biāo)：(1)開展引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的消化吸收再創(chuàng)新，開展人員培訓(xùn)，同時結(jié)合國內(nèi)外智力引進(jìn)工作，在工程技術(shù)研究開發(fā)方面全方位地開展國內(nèi)與國際合作與交流。集聚和培養(yǎng)高水平的工程技術(shù)研究人才和管理人才。為行業(yè)發(fā)展、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供重要基礎(chǔ)設(shè)施和條件保障等服務(wù)，促進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展。(2)建立完善的裝備設(shè)計(jì)、理論分析、成形工藝、模具制造和數(shù)值模擬驗(yàn)證體系，使研究中心在多向模鍛裝備制造、成形技術(shù)和平臺服務(wù)方面處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，個別領(lǐng)域處于國際前沿。(3)以“市場導(dǎo)向，多元參與，優(yōu)化布局、協(xié)同聯(lián)動”為指導(dǎo)，瞄準(zhǔn)國內(nèi)外多向模鍛研究和開發(fā)中亟待解決的關(guān)鍵工程化實(shí)現(xiàn)問題，以關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新為目標(biāo)，開展研發(fā)和中試，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定型。(4)針對上海市重點(diǎn)發(fā)展的船舶、汽車、能源裝備等戰(zhàn)略性骨干產(chǎn)業(yè)，向產(chǎn)業(yè)提供信息共享、研發(fā)設(shè)計(jì)、聯(lián)合攻關(guān)、測試驗(yàn)證、中試放大等特色鮮明的專業(yè)技術(shù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用?！?/p>