淺析中國(guó)液壓式鍛造裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

秦佰韜，喻建樑，曹云星，肖偉軍

（寶武特冶裝備保障部，上海 201900）

1 前言

液壓式鍛造機(jī)是自由鍛水壓機(jī)演變過(guò)來(lái)的，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型鍛造設(shè)備。我國(guó)在自行設(shè)計(jì)制造液壓式鍛造機(jī)的同時(shí)，采取了引進(jìn)部分先進(jìn)技術(shù)、合作生產(chǎn)、整機(jī)進(jìn)口、聘請(qǐng)國(guó)外公司對(duì)舊壓機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造等方式，加快了我國(guó)在液壓式鍛造機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展和技術(shù)的提高。

1.1 發(fā)展歷史

世界上首臺(tái)鍛造水壓機(jī)，是在1884年由英國(guó)曼徹斯特工廠制造的，此前，鋼錠的鍛造主要由鍛錘完成。1945年二戰(zhàn)結(jié)束后，作為戰(zhàn)敗方日本向我國(guó)賠償了十幾臺(tái)的鍛造設(shè)備，其中有10MN～30MN的水壓機(jī)5臺(tái)，蒸汽錘約5臺(tái)。1949年10月1日新中國(guó)成立后，我國(guó)重新建造廠房、安裝壓機(jī)及其他配套設(shè)備，雖然賠償鍛造機(jī)年久失修、設(shè)備老化、結(jié)構(gòu)陳舊、性能落后，但在當(dāng)時(shí)的中國(guó)，依然作為“國(guó)之大器”，為我國(guó)填補(bǔ)了大型鍛件生產(chǎn)的空白。

從我國(guó)第一個(gè)五年計(jì)劃開(kāi)始，在原蘇聯(lián)援建下，分別建造了8MN、12.5MN、20MN、30MN、60MN自由鍛水壓機(jī)，并且將原來(lái)日本賠償?shù)乃畨簷C(jī)，經(jīng)過(guò)修配改造，重新投入生產(chǎn)。而在20世紀(jì)50年代后，我國(guó)開(kāi)始走上了自主研制的道路，并制造了從10MN～125MN不同噸位的水壓機(jī)約40臺(tái)，但技術(shù)發(fā)展緩慢。直到80年代后，我們通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、專家聘請(qǐng)、設(shè)備改造、整機(jī)進(jìn)口、聯(lián)合制作等方式，使得我國(guó)在液壓鍛造機(jī)領(lǐng)域快速發(fā)展。

1.2 液壓式鍛造機(jī)的定義

液壓式鍛造機(jī)是一種以液壓作為動(dòng)力源、全液壓控制的鍛壓設(shè)備。它與傳統(tǒng)的機(jī)械式鍛造機(jī)相比，其鍛造壓力和鍛造速度可根據(jù)工藝需求，在規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，整體布局靈活、執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、鍛造效率高、機(jī)組震動(dòng)小、噪音小、能耗少且能與機(jī)械手配合使用等特點(diǎn)。同時(shí)，液壓式鍛造機(jī)的液壓元件及控制元件具有通用性、標(biāo)準(zhǔn)化，其設(shè)計(jì)和制造的成本低、自動(dòng)化程度高和鍛造頻次高，能夠準(zhǔn)確地控制鍛造速度和精度等優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用到機(jī)械、鋼鐵、鐵路、航空航天等領(lǐng)域，不僅適用于有色與黑色金屬鋼錠開(kāi)坯等自由鍛造及模具鍛造，還適用于鍛造溫度范圍窄的高合金材料和鈦合金的鍛造生產(chǎn)。

1.3 鍛造機(jī)組成及工藝

液壓式鍛造機(jī)主要有以下五個(gè)部分組成：

（1）本體框架結(jié)構(gòu)，用于鍛壓工作時(shí)鍛造力的執(zhí)行。

（2）液壓系統(tǒng)，是整個(gè)鍛壓機(jī)的動(dòng)力源。

（3）電控系統(tǒng)，以控制臺(tái)內(nèi)的PLC控制為核心。

（4）潤(rùn)滑系統(tǒng)，負(fù)責(zé)活動(dòng)部件的油脂潤(rùn)滑，是機(jī)械結(jié)構(gòu)件運(yùn)行平穩(wěn)、可靠和確保使用壽命的關(guān)鍵。

（5）輔助系統(tǒng)。鍛造可分為熱鍛、溫鍛、冷鍛，普遍采用800℃作為分界線。高于800℃為熱鍛，在300℃～800℃稱作為溫鍛，在室溫下鍛造的稱為冷鍛。

2 鍛造機(jī)裝備技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 鍛造機(jī)裝備技術(shù)介紹

（1）液壓式快鍛機(jī)。目前國(guó)外比較先進(jìn)的液壓式快鍛機(jī)主要是德國(guó)MEER（西馬克）、SPS（辛北爾康普）、PAHNKE（潘克）公司生產(chǎn)的，他們的鍛造液壓機(jī)整體技術(shù)比較先進(jìn),代表著目前國(guó)際最高水平和鍛造液壓機(jī)的發(fā)展方向。從整機(jī)結(jié)構(gòu)形式上來(lái)看，快鍛機(jī)主要分為兩種：一是小型鍛壓機(jī)（一般噸位在20MN以下）采用雙立柱下拉式為主，其優(yōu)點(diǎn)是整機(jī)重心比較低、整體穩(wěn)定性比較好、液壓管路相對(duì)簡(jiǎn)短、液壓系統(tǒng)的沖擊力比較??；二是中大型鍛壓機(jī)（一般噸位在25MN以上）采用上推式為主，其優(yōu)點(diǎn)是減少活動(dòng)部分橫梁的慣量，容易控制和節(jié)約能源。從立柱形式來(lái)看，快鍛機(jī)主要分兩種：一是雙立柱式，這也是目前國(guó)內(nèi)外比較常見(jiàn)的快鍛機(jī)形式，占比達(dá)到90%以上，特別是中小型快鍛機(jī)，基本都是采用雙立柱形式；二是四立柱式。兩種形式的主要優(yōu)點(diǎn)及區(qū)別如表1所示：

表1 雙立柱與四立柱快鍛機(jī)的主要區(qū)別

從液壓控制方式來(lái)分，主要有兩種形式：第一種是液壓閥控制方式，MEER（西馬克）和SPS（辛北爾康普）公司設(shè)計(jì)的液壓式快鍛機(jī)就是典型的閥控方式。國(guó)內(nèi)目前所設(shè)計(jì)和制造出的快鍛機(jī)，基本上都是這種形式的鍛造機(jī)；第二種是液壓泵控制方式，以PAHNKE（潘克）公司最為典型，其在這領(lǐng)域占據(jù)絕對(duì)領(lǐng)先和壟斷地位。主要區(qū)別見(jiàn)表2。

表2 液壓系統(tǒng)的閥控和泵控的主要區(qū)別

（2）液壓式四錘頭徑鍛機(jī)。四錘頭徑鍛機(jī)是近幾年發(fā)展勢(shì)頭最好的鍛壓設(shè)備，最典型的是德國(guó)MEER公司的液壓式徑鍛機(jī)，如圖1所示。

圖1 德國(guó)SMS MEER液壓式徑鍛機(jī)

液壓式徑鍛機(jī)采用四個(gè)主油缸，通過(guò)一組高強(qiáng)度的雙頭螺栓固定在整個(gè)機(jī)架上，組成一個(gè)框架結(jié)構(gòu)安裝在基礎(chǔ)之上。這四個(gè)主油缸是獨(dú)立成單元的，工作原理如圖2所示。

圖2 液壓缸工作原理圖

液壓式徑鍛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是，其液壓系統(tǒng)非常龐大，電氣控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，導(dǎo)致其維護(hù)成本高。液壓式徑鍛機(jī)相比機(jī)械式的鍛造精度略微差一些，但其鍛透性比較好。

（3）液壓模鍛機(jī)。模鍛是指金屬在近似封閉的模型中整體成型，鍛件成形靠模膛來(lái)控制，可鍛造出形狀復(fù)雜、尺寸準(zhǔn)確的零部件。具有加工余量小、節(jié)約原材料、加工量少、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)。但是，模鍛需要專門(mén)的模具，且模具制造工藝復(fù)雜，制造成本高、周期長(zhǎng)，因此更加適合批量化和規(guī)?；a(chǎn)。因?yàn)殄懺觳牧显谀ｅ戇^(guò)程中整體流動(dòng)，需要鍛壓設(shè)備能力較大，如飛機(jī)上的模鍛件需要300MN甚至800MN壓力機(jī)，這樣才能實(shí)現(xiàn)其最高性能水平、可靠性、壽命。

2.2 中國(guó)鍛造機(jī)裝備技術(shù)現(xiàn)狀

（1）中國(guó)液壓快鍛機(jī)裝備技術(shù)。2011年3月，世界最大、最先進(jìn)的185MN自由式鍛造油壓機(jī)組順利投產(chǎn)，這是中信重工與PAHNKE（潘克）公司聯(lián)合設(shè)計(jì)和制造的。這個(gè)世界級(jí)重型配備制造高端平臺(tái)，使大型鍛件實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，打破國(guó)外的封鎖和壟斷。這個(gè)機(jī)組融匯了多項(xiàng)“世界之最”：規(guī)格世界最大；功率世界最大；工作壓力世界最大，最大鐓粗力達(dá)到18500t，可鍛造600t的鋼錠、單重400t的鍛件；鍛造精度世界最高，鍛件正負(fù)誤差不超過(guò)2mm；自動(dòng)化程度世界最高，快鍛次數(shù)每分鐘可達(dá)44次以上。目前國(guó)內(nèi)能夠設(shè)計(jì)和制造快鍛機(jī)的廠商比較多，主要有蘭石重工、海德馬克、中國(guó)二重、中國(guó)一重、中信重工等。

（2）中國(guó)徑鍛機(jī)裝備技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)徑鍛機(jī)的研制還比較緩慢，從20世紀(jì)80年代初到90年代末，從國(guó)外引進(jìn)的徑鍛機(jī)作為參考和研制，以大連徑鍛技術(shù)研究所為代表，聯(lián)合國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)，將太原進(jìn)口的SX40型徑鍛機(jī)改造結(jié)構(gòu)、消化技術(shù)，于1997年研制出了SX40型徑向鍛機(jī)并投產(chǎn)。

從20世紀(jì)初開(kāi)始，以蘭石重工有限公司、陜西創(chuàng)新精密研究所有限公司、中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司、青島海德馬克智能裝備有限公司、陜西寶信重工有限公司等多家單位為典型代表，其中2010年蘭州蘭石重工有限公司投資研制了1.6MN機(jī)械式徑鍛機(jī)，并順利實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，同時(shí)，2012年蘭石重工的1.6MN機(jī)械式徑鍛機(jī)實(shí)現(xiàn)了首次出口。

（3）中國(guó)模鍛裝備技術(shù)。在我國(guó)，從20世紀(jì)60年代起，才開(kāi)始對(duì)大型模鍛機(jī)重視，首先，是中國(guó)一重在1973年為西南鋁加工廠量身設(shè)計(jì)和制造了一臺(tái)300MN模鍛水壓機(jī)，當(dāng)年實(shí)現(xiàn)正式投產(chǎn)，這也代表了我國(guó)當(dāng)時(shí)模鍛技術(shù)的最高水平，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)大型模鍛機(jī)零的突破。此后30多年的時(shí)間里，大型模鍛機(jī)的研制和技術(shù)停滯不前，沒(méi)有投入相關(guān)人才和資金用于研發(fā)，2010年后，全國(guó)的模鍛設(shè)備呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展。

2013年，德陽(yáng)二重研制的世界最大的800MN模鍛液壓機(jī)投入試生產(chǎn)，使我國(guó)與瑞典一起具備了世界最大的模鍛壓機(jī)設(shè)計(jì)和制造能力。

近期的西安閻良國(guó)家航空高技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地800MN重型模鍛液壓機(jī)、江蘇昆山1000MN模鍛液壓機(jī)正在建設(shè)中，同時(shí)，也已經(jīng)完成了1600MN模鍛液壓機(jī)的整體設(shè)計(jì)。

3 中國(guó)鍛造機(jī)裝備技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 智能化

鍛造設(shè)備的發(fā)展是伴隨工業(yè)技術(shù)的發(fā)展同步進(jìn)行的，從它漫長(zhǎng)和悠久的歷史發(fā)展過(guò)程中可以看出，鍛造設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)就是從最初的原始簡(jiǎn)單發(fā)展到自動(dòng)化和數(shù)控化。尤其是現(xiàn)在國(guó)際和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也逐漸開(kāi)始運(yùn)用更加智能化高效化的伺服技術(shù)，通過(guò)智能化的感知，人機(jī)交互，大數(shù)據(jù)的收集與分析，與設(shè)備自動(dòng)化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程和制造設(shè)備智能化。

鍛造設(shè)備的智能化，是指能夠?qū)崿F(xiàn)鍛造設(shè)備狀態(tài)及管理智能化。設(shè)備工作參數(shù)、故障信息、維修狀況、數(shù)據(jù)趨勢(shì)等，整個(gè)車間的所有設(shè)備要有統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口協(xié)議，從底層實(shí)時(shí)采集設(shè)備所有數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備提取數(shù)據(jù)，此外，要實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理的終端信息智能化，并做到設(shè)備執(zhí)行任務(wù)可視化，所有加工物料信息做到可視化，以及設(shè)備維修的可視化，預(yù)知性維修的及時(shí)提示。

3.2 信息化

信息化建設(shè)就是將企業(yè)原有的ERP（企業(yè)資源計(jì)劃管理）、PLM（產(chǎn)品生命周期管理）、MES（制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行管理）、OA（辦公自動(dòng)化管理）、HR（人力資源管理） 等信息孤立、分散的系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)企業(yè)整體業(yè)務(wù)精簡(jiǎn)化、智能化。

隨著鍛造企業(yè)智能化改造的深入，當(dāng)鍛造車間的設(shè)備、物料、人員信息、加工等靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)更新、實(shí)時(shí)傳遞、實(shí)時(shí)決策、實(shí)時(shí)信息可視化。鍛造車間信息化的實(shí)現(xiàn)，改變傳統(tǒng)生產(chǎn)模式和格局，從車間生產(chǎn)到最終產(chǎn)品完工、檢驗(yàn)入庫(kù)等全過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，針對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析描述，建立具有時(shí)間屬性和映射關(guān)系的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)模型。

3.3 高效化

鍛造設(shè)備在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、信息化后，必然帶來(lái)的就是裝備的高效化發(fā)展，如伺服液壓技術(shù)在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中大量運(yùn)用；正弦直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不斷優(yōu)化改進(jìn)和通用化設(shè)計(jì)；交流伺服電機(jī)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)用等，這些新技術(shù)、新理念的不斷發(fā)展和運(yùn)用，使裝備能夠更好地實(shí)現(xiàn)高效化運(yùn)作。

裝備技術(shù)的高效化實(shí)現(xiàn)，結(jié)合信息化的布局，能夠合理減少后續(xù)工序與轉(zhuǎn)運(yùn)，減少設(shè)備的空閑時(shí)間，將利用率提升到最高，發(fā)揮最大的生產(chǎn)力。

3.4 低碳化

在鍛造裝備設(shè)計(jì)中，低碳化設(shè)計(jì)是目前也是今后重點(diǎn)的技術(shù)攻關(guān)方向，如鍛壓設(shè)備的上伺服液壓泵系統(tǒng)。壓機(jī)在下行時(shí)，回程缸內(nèi)的油全部由主泵吸收，注入主油缸，壓機(jī)的下行速度通過(guò)回程缸的排油量來(lái)控制，此時(shí)，壓機(jī)活動(dòng)部件的重力勢(shì)能通過(guò)液壓油轉(zhuǎn)換成主泵的動(dòng)能，節(jié)省電機(jī)功耗；主工作缸行程最后的泄壓，由泵來(lái)完成，油缸內(nèi)的液壓能釋放帶動(dòng)主泵旋轉(zhuǎn)，此過(guò)程中的能量通過(guò)電機(jī)回饋給電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)能。

當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)設(shè)壓力時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)主泵流量，控制系統(tǒng)壓力，而非其他液壓系統(tǒng)通過(guò)溢流閥控制系統(tǒng)壓力。尤其在鍛造壓機(jī)的保壓工藝動(dòng)作或?qū)崿F(xiàn)恒定變形速率過(guò)程中，可以節(jié)約大量的能量。整個(gè)系統(tǒng)的綜合節(jié)能約在28%～38%，實(shí)現(xiàn)重型設(shè)備的低碳化發(fā)展趨勢(shì)。

除了上述伺服泵控系統(tǒng)，還有液壓伺服閥的運(yùn)用、交流伺服電機(jī)的運(yùn)用、節(jié)能變頻器的運(yùn)用、低阻值導(dǎo)線的運(yùn)用、低能耗光源的運(yùn)用、CAE/CAD/CAPP/CAM計(jì)算機(jī)軟件的運(yùn)用等等，都是裝備技術(shù)低碳化發(fā)展的真實(shí)寫(xiě)照。

隨著鍛造裝備實(shí)現(xiàn)智能化、信息化、高效化后，必然帶來(lái)整個(gè)鍛造行業(yè)的低碳環(huán)?；l(fā)展，同時(shí)，“2030碳達(dá)峰和2060碳中和”目標(biāo)的建立，從國(guó)家政策方面倒逼裝備技術(shù)向低碳化發(fā)展。

4 鍛造機(jī)行業(yè)發(fā)展前景

隨著裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)鍛件產(chǎn)量持續(xù)保持高位，并連續(xù)多年成為全球鍛件的第一大生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。鍛件產(chǎn)品作為裝備制造業(yè)所必須的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，其下游主要為航空、航天、船舶、電力、石化以及其他機(jī)械等行業(yè)的成套設(shè)備制造商，最終應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)的各相關(guān)行業(yè)。隨著近年來(lái)國(guó)際格局的變化，為提高我國(guó)應(yīng)對(duì)國(guó)際形勢(shì)變化能力，國(guó)防投入加大將會(huì)提高軍事裝備的需求，從而帶動(dòng)軍工鍛件行業(yè)的發(fā)展。

此外，在高端裝備制造領(lǐng)域，鍛造行業(yè)在國(guó)家一系列鼓勵(lì)政策的引導(dǎo)下，堅(jiān)持國(guó)外引進(jìn)與自主創(chuàng)新結(jié)合的研發(fā)模式，形成了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端鍛件產(chǎn)品，鍛造行業(yè)整體技術(shù)水平的穩(wěn)步提升，有力地推動(dòng)了我國(guó)鍛造產(chǎn)業(yè)向高端化方向發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

在這萬(wàn)眾創(chuàng)新、萬(wàn)物互聯(lián)的數(shù)字時(shí)代，重視技術(shù)發(fā)展、加大科技投入，以自主開(kāi)發(fā)為核心，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和觀念，消化和吸收，創(chuàng)新和創(chuàng)造出屬于我們自己的先進(jìn)技術(shù)裝備，投入鍛造行業(yè)，將我國(guó)從鍛造大國(guó)，建設(shè)成為鍛造強(qiáng)國(guó)，引領(lǐng)世界鍛造技術(shù)裝備的發(fā)展。