我國精密鍛造設(shè)備的市場與技術(shù)發(fā)展情況

文／謝談，李亞軍·北京機(jī)電研究所

我國精密鍛造設(shè)備的市場與技術(shù)發(fā)展情況

文／謝談，李亞軍·北京機(jī)電研究所

謝談，副所長，研究員，中國機(jī)械工程學(xué)會塑性工程分會常務(wù)副理事長，在齒形類零件精密鍛造技術(shù)、復(fù)雜零件閉塞鍛造工藝與模具技術(shù)等方面取得了一系列成果并在行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用，獲得國家科技進(jìn)步三等獎1項(xiàng)、機(jī)械部科技進(jìn)步二等獎2項(xiàng)、機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會一等獎1項(xiàng)、美國通用汽車GM中國科技成就二等獎1項(xiàng)等。

我國汽車工業(yè)的規(guī)模化發(fā)展對鍛造技術(shù)與裝備提出了高效化和精密化的要求，本文從我國若干主要鍛造設(shè)備的市場與技術(shù)兩個(gè)視角，審視行業(yè)需求和已經(jīng)取得的技術(shù)進(jìn)展，并判斷未來的發(fā)展趨勢。

汽車制造業(yè)是鍛件消耗量最大的行業(yè)，2011年我國汽車產(chǎn)量超過1800萬輛(載貨卡車約600萬輛、乘用車約1200萬輛），按每輛載貨卡車平均使用400kg鍛件、每輛乘用車平均使用150kg鍛件計(jì)算，2011年我國汽車鍛件消耗量就已達(dá)到0.4×600＋0.15×1200＝240＋180＝420萬噸。

統(tǒng)計(jì)顯示，汽車行業(yè)消耗的模鍛件占全部模鍛件的60%以上，可以說鍛造工業(yè)是伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展而成長壯大的，如此巨大的模鍛件市場奠定了我國鍛壓機(jī)械快速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對鍛件產(chǎn)品和鍛造生產(chǎn)提出了高效化和精密化的要求，發(fā)展各種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材的鍛壓新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)近凈成形是當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)。熱模鍛壓力機(jī)與鍛造自動化技術(shù)、先進(jìn)的螺旋壓力機(jī)及精密模鍛技術(shù)、冷溫鍛壓力機(jī)及精鍛技術(shù)、冷擺動輾壓機(jī)與冷擺輾技術(shù)等，是實(shí)現(xiàn)鍛件復(fù)雜化、精密化和生產(chǎn)高效化的關(guān)鍵技術(shù)與裝備。

我國鍛造行業(yè)目前正處在工藝水平提升和設(shè)備更新?lián)Q代的關(guān)鍵時(shí)期。

我國鍛壓機(jī)械行業(yè)概況

鍛壓設(shè)備的產(chǎn)量與進(jìn)出口情況

近年來，我國鍛壓設(shè)備(包括體積成形機(jī)床和板材成形機(jī)床）迅速發(fā)展，中小型鍛壓設(shè)備品種齊全、數(shù)量增長，整體水平和數(shù)控化程度明顯提高。

據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，2010年，我國生產(chǎn)鍛壓機(jī)床26萬臺，同比增長18%，鍛壓機(jī)床總產(chǎn)值407億元人民幣，同比增長42%(其中體積成形機(jī)床產(chǎn)值約40億元，占10%，其余為板材成形機(jī)床），鍛壓機(jī)床產(chǎn)值約占整個(gè)機(jī)床行業(yè)總產(chǎn)值1250億元的30%。

2010年，我國鍛壓機(jī)床出口5.7億美元(主要是板材成形機(jī)床），同比增長25%；鍛壓機(jī)床進(jìn)口19億美元(其中大部分也是板材成形機(jī)床，體積成形機(jī)床占15%），同比增長42%。

從進(jìn)出口情況可知，對于大型、高精、數(shù)控鍛壓機(jī)床的進(jìn)口依賴度大，體積成形機(jī)床尤其如此(進(jìn)口∶出口大于15∶1）。

模鍛行業(yè)各種鍛造設(shè)備的市場份額

1980年我國的模鍛主機(jī)設(shè)備擁有量為900余臺，其構(gòu)成結(jié)構(gòu)為鍛錘占65%，摩擦壓力機(jī)占18%，如圖1a所示。經(jīng)過30年的發(fā)展，截止到2010年，我國模鍛設(shè)備主機(jī)擁有量達(dá)到近6000臺(不包括630t以下的摩擦壓力機(jī)），其構(gòu)成也有相應(yīng)的變化：品種增多，摩擦壓力機(jī)的占比由18%增至48%，我國模鍛行業(yè)的鍛造設(shè)備中摩擦壓力機(jī)已經(jīng)占據(jù)了半壁江山，如圖1b所示。

為什么摩擦壓力機(jī)能長期成為我國鍛造行業(yè)的主力設(shè)備？這是過去我國汽車工業(yè)分散，致使鍛造配套能力也分散、專業(yè)化程度低的必然結(jié)果。

我國汽車制造廠曾經(jīng)超過百家，車型非常多，汽車鍛件的規(guī)格品種繁多，但各品種鍛件的批量都較小，因此各配套廠家的鍛件產(chǎn)量也都不大，對生產(chǎn)效率的要求不高。摩擦壓力機(jī)的特點(diǎn)是：效率不高，適合小批量、多品種生產(chǎn)，而且設(shè)備價(jià)格非常低廉。市場選擇造就了摩擦壓力機(jī)過去30年的快速增長，以山東省青島市為中心的摩擦壓力機(jī)產(chǎn)業(yè)群逐步發(fā)展壯大起來。

圖1 我國模鍛行業(yè)鍛造設(shè)備的構(gòu)成變化

鍛造設(shè)備的技術(shù)發(fā)展情況

摩擦壓力機(jī)

近幾年我國鐵路快速發(fā)展(重載、提速），新型機(jī)車和車輛鍛件的特點(diǎn)是：鍛件重(50～100kg以上）、形狀復(fù)雜、鍛造成形力大(需要5000～10000t的力），但鐵路鍛件產(chǎn)量較小(一般每個(gè)品種不超過5萬件）。

鐵路鍛件的特點(diǎn)導(dǎo)致了對“大噸位、小批量、小投資”鍛造設(shè)備的需求。摩擦壓力機(jī)的特點(diǎn)恰是：效率不高，適合小批量和多品種生產(chǎn)。摩擦壓力機(jī)設(shè)備制造企業(yè)抓住鐵路鍛件市場的發(fā)展機(jī)遇，迅速成功開發(fā)出數(shù)十臺4000t、6300t、8000t規(guī)格的摩擦壓力機(jī)，甚至萬噸級的摩擦壓力機(jī)也在開發(fā)中。

摩擦壓力機(jī)的大型化開發(fā)應(yīng)用過程促進(jìn)了設(shè)備制造廠家在壓力機(jī)結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)了抗偏載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，突破了摩擦壓力機(jī)通常只能單工位鍛造的局限性；同時(shí)對于大型鑄鋼件(如機(jī)身、滑塊）和大型鍛件(如拉桿、螺桿）的加工技術(shù)也達(dá)到了較高水平。

大型摩擦壓力機(jī)的典型應(yīng)用：鐵路貨車鉤尾框的鍛造(圖2）、重型卡車前軸的鍛造(圖3）。以大型摩擦壓力機(jī)為主機(jī)配置的鍛造生產(chǎn)線具有投資少、建設(shè)周期短的優(yōu)勢。

圖2 鐵路貨車鉤尾框及其鍛造過程

圖3 重型卡車前軸(130kg）及其鍛造生產(chǎn)線

圖4 離合器式螺旋壓力機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用

離合器式螺旋壓力機(jī)

為克服摩擦驅(qū)動效率低的缺憾，壓力機(jī)制造企業(yè)研發(fā)了應(yīng)用離合器式驅(qū)動技術(shù)的離合器式螺旋壓力機(jī)，如圖4所示。這種先進(jìn)的螺旋壓力機(jī)通過離合器結(jié)合飛輪驅(qū)動滑塊，使其具有曲柄壓力機(jī)的特點(diǎn)；幾乎在全行程任意位置均可發(fā)出公稱打擊力，又具有液壓機(jī)的特點(diǎn)；行程可以控制從而可實(shí)現(xiàn)多次鍛打，還具有鍛錘的特點(diǎn)。離合器式螺旋壓力機(jī)既可以鍛造所需打擊力大的葉片等薄平類件，也適宜成形所需打擊能量大的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)等復(fù)雜件。

目前我國已經(jīng)開發(fā)了6個(gè)系列的離合器式螺旋壓力機(jī)，即400t、630t、1000t、1600t、2500t、4000t，并已制造了120余臺。國產(chǎn)離合器式螺旋壓力機(jī)解決了四大關(guān)鍵技術(shù)，即：大型專用螺旋副材料及其螺桿螺母加工技術(shù)、大型螺旋副特殊潤滑技術(shù)、大型離合器的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)、整機(jī)的機(jī)電液集成控制系統(tǒng)技術(shù)。

國產(chǎn)離合器式螺旋壓力機(jī)在4000t以下的規(guī)格中已實(shí)現(xiàn)了替代進(jìn)口，未來將要開發(fā)6300t以上規(guī)格的離合器式螺旋壓力機(jī)。近年我國進(jìn)口了德國35500t的離合器式螺旋壓力機(jī)(世界最大），用于發(fā)電設(shè)備汽輪機(jī)大葉片的模鍛成形。

圖5 國產(chǎn)電動螺旋壓力機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用

電動螺旋壓力機(jī)

電動螺旋壓力機(jī)由兩臺或多臺電動機(jī)借助一級齒輪減速機(jī)構(gòu)，間接驅(qū)動飛輪作雙向交替旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；采用特制的三相交流變頻電動機(jī)或開關(guān)磁阻電機(jī)，滿足了壓力機(jī)工作時(shí)對電動機(jī)頻繁正反轉(zhuǎn)的要求；可根據(jù)鍛件成形工藝要求，調(diào)整打擊力和打擊能量，鍛件成形精度高，模具使用壽命長；上料和出料以及調(diào)整模具時(shí)，電機(jī)可間歇工作，無需連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)約電能。

在各種螺旋壓力機(jī)中，電動螺旋壓力機(jī)的顯著優(yōu)點(diǎn)是主機(jī)結(jié)構(gòu)最簡單，傳動鏈非常短，因此故障率低，易于維護(hù)。與摩擦壓力機(jī)相比，不需更換摩擦帶等易損件；與液壓螺旋壓力機(jī)相比，無液壓驅(qū)動單元，使用維護(hù)費(fèi)用明顯減少。目前我國已成功研制了EPC-400/630/1000/1600/2000/2500/4000/8000等多種產(chǎn)品，如圖5所示。但由于電動螺旋壓力機(jī)對電機(jī)性能要求很高，而電機(jī)及其控制技術(shù)又比較復(fù)雜，因此在開發(fā)和應(yīng)用萬噸級以上公稱力噸位的電動螺旋壓力機(jī)時(shí)，應(yīng)在與其他類型的螺旋壓力機(jī)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較后再綜合考慮確定。

液壓螺旋壓力機(jī)

液壓螺旋壓力機(jī)的傳統(tǒng)驅(qū)動結(jié)構(gòu)是油馬達(dá)、飛輪結(jié)構(gòu)，其一般的公稱壓力在3000t以上，制造小噸位的液壓螺旋壓力機(jī)不經(jīng)濟(jì)。液壓螺旋壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)流量大、壓力高，制造要求很高，技術(shù)比較復(fù)雜，設(shè)備造價(jià)較高，目前國外已很少生產(chǎn)。

近年我國某鍛造企業(yè)通過實(shí)踐探索和自主創(chuàng)新，開發(fā)出一種新型的液壓螺旋壓力機(jī)，相對國外技術(shù)復(fù)雜的傳統(tǒng)液壓螺旋壓力機(jī)，該機(jī)具有以下特點(diǎn)：

⑴機(jī)械結(jié)構(gòu)非常簡單，采用液壓推缸結(jié)構(gòu)，沒有齒輪、摩擦盤、離合器等傳動件，液壓缸的可靠性、可維護(hù)性高于變頻電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和摩擦盤等。

⑵液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，元器件全部采用常規(guī)元件，價(jià)格低，維護(hù)更換方便。

⑶打擊速度快，打擊能量大于同規(guī)格的摩擦壓力機(jī)和電動螺旋壓力機(jī)，尤其適合制造用于生產(chǎn)需要大能量、大打擊力的大型鍛件的大型和超大型規(guī)格的螺旋壓力機(jī)。

⑷采用蓄勢器蓄能方式運(yùn)行，充分利用工序間的間歇時(shí)間，整機(jī)安裝功率小，節(jié)能高效，沒有使用大型電機(jī)時(shí)產(chǎn)生的電流沖擊。

⑸壓力機(jī)運(yùn)行在中低壓范圍，采取特殊設(shè)計(jì)措施保證液壓系統(tǒng)及管道系統(tǒng)工作的可靠穩(wěn)定。采用滑塊推動螺桿，運(yùn)動方式更有利于螺旋副的潤滑。

由于具有上述特點(diǎn)(還需在技術(shù)細(xì)節(jié)上進(jìn)一步完善），這種新型的液壓螺旋壓力機(jī)作為模鍛成形設(shè)備(兩個(gè)工位）可能會有樂觀的市場前景。國產(chǎn)2500t液壓螺旋壓力機(jī)及其生產(chǎn)的鍛件如圖6所示。

熱模鍛壓力機(jī)

我國熱模鍛壓力機(jī)的技術(shù)主要來源于德國，20世紀(jì)80年代初我國引進(jìn)了當(dāng)時(shí)處于世界領(lǐng)先水平的德國奧姆科公司12個(gè)系列、42種規(guī)格的熱模鍛壓力機(jī)的全套設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)資料。北京機(jī)電研究所是該引進(jìn)項(xiàng)目的技術(shù)負(fù)責(zé)單位，進(jìn)行了全面的、系統(tǒng)的消化吸收與轉(zhuǎn)化。熱模鍛壓力機(jī)的特點(diǎn)是：剛度高、抗偏載能力強(qiáng)(偏心軸—雙點(diǎn)支撐連桿—偏心銷結(jié)構(gòu)），特別適合多工位鍛造(可以安排4～6個(gè)工位），易于實(shí)現(xiàn)自動化和大批量生產(chǎn)，其鍛件精度可以達(dá)到精密級。

我國現(xiàn)在已經(jīng)可以制造1000～12500t規(guī)格的熱模鍛壓力機(jī)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)在傳統(tǒng)單速曲軸連桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展到了雙速執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其在下死點(diǎn)的平均速度是單速執(zhí)行機(jī)構(gòu)的2倍，能有效減少負(fù)載的熱接觸時(shí)間，提高模具壽命；采用濕式離合器—制動器傳遞扭矩，液壓驅(qū)動可以提高動作頻次，油液循環(huán)冷卻便于控制溫度，使熱模鍛壓力機(jī)行程次數(shù)利用率得以大幅度提升，機(jī)械壓力機(jī)的高效特征得以充分發(fā)揮，從而帶來了高效自動化、模具自動潤滑系統(tǒng)等一系列的技術(shù)進(jìn)步。熱模鍛壓力機(jī)的技術(shù)引進(jìn)和國產(chǎn)化、系列化如圖7所示。

圖6 國產(chǎn)2500t液壓螺旋壓力機(jī)及其生產(chǎn)的鍛件

我國現(xiàn)在已有10余條12500～14000t熱模鍛壓力機(jī)自動化鍛造生產(chǎn)線(其中約有二分之一是進(jìn)口的鍛造生產(chǎn)線或主機(jī)進(jìn)口而周邊配套設(shè)備國產(chǎn)），16500t熱模鍛壓力機(jī)自動化鍛造生產(chǎn)線也正在建造中，該生產(chǎn)線建成后將主要用于鍛造載重汽車的曲軸和前軸(重量大于140kg）。目前國內(nèi)已經(jīng)新建成幾十條汽車精密零件熱精鍛全自動化生產(chǎn)線(主機(jī)1000～2500t），實(shí)現(xiàn)了多工位、全自動化鍛造，生產(chǎn)效率由以往人工操作的5件/min提高到了現(xiàn)在的15～20件/min。

熱模鍛壓力機(jī)的技術(shù)引進(jìn)和國產(chǎn)化的實(shí)現(xiàn)，為我國鍛造行業(yè)由錘上鍛造模式發(fā)展到與國際先進(jìn)水平同步的壓力機(jī)鍛造的大批量生產(chǎn)模式奠定了裝備基礎(chǔ)，有效支撐了我國汽車工業(yè)20世紀(jì)90年代后期以來的規(guī)模化發(fā)展。

大公稱壓力行程冷鍛壓力機(jī)

大公稱壓力行程冷鍛壓力機(jī)是實(shí)現(xiàn)高效冷鍛生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。冷鍛工藝要求滑塊在下死點(diǎn)附近速度慢、公稱壓力行程長(距下死點(diǎn)大于25mm），核心技術(shù)是廣義肘桿機(jī)構(gòu)，在滑塊行程和行程次數(shù)均相同的前提下，廣義肘桿機(jī)構(gòu)在下死點(diǎn)附近的速度要慢得多，而且可以擴(kuò)大公稱壓力行程，公稱壓力行程大的壓力機(jī)其輸出能量相對較大，在大變形擠壓時(shí)飛輪速降小。

圖7 熱模鍛壓力機(jī)的技術(shù)引進(jìn)和國產(chǎn)化、系列化

對于大公稱壓力行程冷鍛壓力機(jī)，國內(nèi)以前主要是從德國、日本進(jìn)口，價(jià)格十分昂貴，進(jìn)口公稱壓力為630～1000t規(guī)格的冷鍛壓力機(jī)每臺需100～200萬歐元，形成了“物以稀為貴”的局面。2010年北京機(jī)電研究所和臺灣金豐機(jī)器工業(yè)股份有限公司簽訂技術(shù)合作協(xié)議，雙方發(fā)揮各自的技術(shù)特長，解決了長行程肘桿機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)(圖8），采用了多點(diǎn)支撐寬連桿及復(fù)合導(dǎo)向等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，成功合作開發(fā)出了1000t、1250t大公稱壓力行程冷鍛壓力機(jī)，如圖9所示。面對市場雙方聯(lián)合投標(biāo)，在國際招標(biāo)中以明顯的性價(jià)比優(yōu)勢勝出。

圖8 大公稱壓力行程冷鍛壓力機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)

冷擺輾成形機(jī)

冷擺動輾壓具有小噸位設(shè)備輾壓大鍛件(其輾壓力僅是普通鍛造工藝的1/20～1/5）、鍛件精度高(精度可達(dá)0.025mm、表面粗糙度Ra值可達(dá)1.6～0.8μm）、材料利用率高、工作時(shí)無振動和噪聲小的特點(diǎn)。冷擺動輾壓工藝可以生產(chǎn)帶軸的法蘭、端面齒輪、錐齒輪、齒條等各種扁平形狀的復(fù)雜零件，可節(jié)約金屬材料，降低生產(chǎn)成本。國內(nèi)冷擺動輾壓的理論研究與工藝應(yīng)用已有多年歷史，但冷擺輾成形機(jī)卻基本依賴進(jìn)口，國內(nèi)引進(jìn)了約30～40臺立式冷擺輾成形機(jī)。

傳統(tǒng)的立式冷擺輾成形機(jī)，擺頭可以實(shí)現(xiàn)圓、直線、螺旋線和多葉玫瑰線4種運(yùn)動軌跡，其中直線、螺旋線和多葉玫瑰線3種軌跡擺頭均通過中心點(diǎn)，該點(diǎn)擺頭軸線與設(shè)備垂直軸線重合，擺角為0°，模具與工件坯料完全接觸，瞬間成形力陡增。圓形軌跡擺頭不通過中心點(diǎn)，擺輾過程為連續(xù)的局部成形，這也是目前極少采用螺旋線和多葉玫瑰線軌跡成形，而90%以上的擺輾件成形均采用圓形軌跡的原因。

針對直線、螺旋線和多葉玫瑰線3種軌跡擺頭均通過中心點(diǎn)而使成形力陡增這一問題，北京機(jī)電研究所開發(fā)出了擺頭不通過中心點(diǎn)的橢圓、螺旋線和多葉玫瑰線運(yùn)動軌跡(圖10），這樣即能夠解決擺頭通過中心點(diǎn)而使成形力陡增的問題，使擺輾過程均為連續(xù)的局部成形，對設(shè)計(jì)新型擺輾機(jī)、改進(jìn)擺頭結(jié)構(gòu)、完善擺輾成形工藝具有重要的技術(shù)意義。200t冷擺輾成形機(jī)的開發(fā)如圖11所示。

圖9 海峽兩岸合作開發(fā)的1000t和1250t大公稱壓力行程冷鍛壓力機(jī)

結(jié)束語

我國在20世紀(jì)80年代引進(jìn)、消化和吸收德國奧姆科公司熱模鍛設(shè)備產(chǎn)品與制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了熱模鍛裝備從“錘上鍛造”向“機(jī)上鍛造”的升級；通過自主創(chuàng)新與合作開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了冷鍛壓力機(jī)、離合器式螺旋壓力機(jī)、液壓螺旋壓力機(jī)、電動螺旋壓力機(jī)、輥鍛和楔橫軋機(jī)等鍛造裝備的技術(shù)創(chuàng)新和國產(chǎn)化，基本上解決了汽車零部件的精密鍛造成形，對我國汽車工業(yè)從年產(chǎn)百萬輛到千萬輛的跨越起了重要的裝備支撐作用。

實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的鍛造生產(chǎn)，需要系統(tǒng)的技術(shù)裝備來支撐，鍛造企業(yè)要特別關(guān)注并致力于這些技術(shù)裝備的改造、提升與創(chuàng)新，因?yàn)殄懺焐a(chǎn)競爭的實(shí)質(zhì)其實(shí)就是在比拼材料利用率的高低、設(shè)備效率的高低和生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。誰的材料越節(jié)省、生產(chǎn)效率越高、質(zhì)量越穩(wěn)定，誰的產(chǎn)品的競爭力就越強(qiáng)。

圖10 擺頭不通過中心點(diǎn)的螺旋線和多葉玫瑰線運(yùn)動軌跡

圖11 200t冷擺輾成形機(jī)的開發(fā)