風電環件鍛造工藝與裝備最新發展

閆鵬程

工欲善其事，必先利其器。風能，是大自然對人類無私的饋贈，自20世紀70年代，在丹麥開始商業風能的開發和利用以來。世界進入了風力發電的時代。但是風電在帶給人類能源的同時，也對人類工業制造能力提出了巨大挑戰。巨大塔架，巨型風力渦輪機，這些巨大設備不單是體積單純放大。而是一個國家，一個民族甚至是人類裝備制造業成果的集中體現。

我國風電始于20世紀80年代，當時通過外匯從丹麥維斯塔斯公司引進0.6MW風力發電機。當時從安裝到調試，甚至連接塔筒的螺栓都從國外進口。這種高強度螺栓在當時的國內無法制造。更不用說風電塔筒，和連接法蘭等重要的風電結構件。隨著信息技術的高速發展與深入普及，工業及制造業借助于信息技術的應用。對傳統裝備制造業使用的大型設備提出了信息化、智能化的要求勢在必行。

1. 徑－軸向數控輾環機

D52系列徑軸向數控輾環機是加工高質量無縫環形工件的先進設備，主要用于軋制風電連接法蘭毛坯、軸承內外套圈、齒輪圈、管道法蘭、輪轂、回轉支撐、起重運輸機上的旋轉輪圈、大容器的加強圈、飛機發動機的殼體與機匣等鍛件，可軋制碳鋼、不銹鋼、鈦合金、銅合金、鋁合金及高溫合金等材質環形件；該機上位機采用工控計算機，下位機使根據主機的需要采用德國西門子S7-300系列可編程序控制器，并具有多種智能模塊，采用目前工控行業最為穩定快捷的總線通信、A/D模塊、D/A模塊、COUNTER模塊及各種I/O模塊等。上位機管理軟件采用了更為先進的Wi ndows界面，操作更為簡便，鼠標鍵盤方便快捷，使用方便，界面友好，主要參數見表1，環件輾制原理圖如圖1、圖2所示，D53型數控輾環機如圖2所示，成形的塔筒連接法蘭如圖3所示。

表1 數控徑向輾環機主要技術參數

2. 鍛徑－軸向數控輾環工藝特點

（1）設備噸位小，加工范圍大 輾環成形過程是局部加壓連續小變形的累計，工件與模具接觸面積小，因此需要變形力小，設備噸位小。

（2）材料利用率高 環件軋制截面形狀更接近于成品，加工余量小。某種機械零件不同加工方法的比較如表2所示。

（3）產品質量好 軋制環件金屬纖維沿圓周方向連續分布，與零件使用時受力及磨損相適應。多數情況下，軋制環件內部組織致密、晶粒細小，綜合力學性能明顯高于其他方法加工的環件。

（4）勞動條件好，生產率高 環件軋制類似靜壓軋制，基本無沖擊、振動，噪聲低，易于操作，機械化、自動化程度高，工人勞動強度大幅降低。

（5）生產成本低 與自由鍛相比，材料消耗低，能源消耗低，綜合生產成本低，具有較好的經濟效益。

3. 國內熱鍛徑－軸向數控輾環機的發展

濟南鑄造鍛壓機械研究所自20世紀70年代開始徑－軸向臥式輾環機設備的研制，其熱輾環設備及技術研究，在隨后很長一段時間內在國內熱輾環領域占據主導地位。至20世紀90年代，殷耀高級工程師主管研制的D53K－3000A型徑－軸向臥式數控輾環機獲得成功，標志著我國開始擁有大型臥式數控熱輾環裝備的制造能力。該項目為國家“八五”重點攻關項目，采用了當時國際最先進的芯輥下抽式結構、徑向驅動電動機直流可調速技術、CNC自動控制技術等，機器最大輾壓力為徑向2000k N/軸向1600k N，輾壓件直徑3500mm，最大軸向高度700mm。該機型成為當時及隨后多年國產大型環件熱輾擴的經典機型。

21世紀初，濟南幾家民營高科技技術企業的涌現，極大地推動了D53K系列徑－軸向數控輾環機工藝、設備及自動化控制的發展。其中濟南沃茨數控機械有限公司研發的國內首臺D53K－6300數控輾環機，2008年在張家港市三林法蘭有限公司一次試機合格，順利投入生產。該機為目前國內首臺軋制能力最大的熱輾環設備，機器具有以下特點：

（1）動力配置大。最大輾壓力為徑向4000kN/軸向3150kN，軋制最大成品直徑6300mm，最大成品高度900mm（中碳鋼熱鍛條件下）。

（2）軋制能力強。加工成品外徑6300mm、重量20000k g環件，預制坯料外徑2500mm以內、單邊壁厚800mm、高度方向軋制量200mm以上，加熱環坯一次上機即可完成軋制。

（3）錐輥（軸向軋輥）國內獨家采用目前國際最先進的30°錐角設計結構。有效減小模具磨損，發揮更大的軋制能力。

（4）自動化控制水平及軋制環件下機熱態精度等技術指標，達到或部分超過本世紀初國際先進水平。軋制環件端面平整、精度高，可完全替代進口機型。

（5）全新三維優化設計的機器結構，更有利于機器軋制能力的發揮，機器使用、維護、更換模具等更為方便。

圖1 環件輾制原理

圖2 D53型數控輾環機

圖3 塔筒連接法蘭

表 2

（6）機器關鍵部位大量采用進口元器件，極大提高整機穩定性與可靠性：液壓系統高精度比例閥全部采用德國力士樂原廠產品；電氣系統下位機采用日本三菱Q系列大型、高速、高性能PLC，字操作處理時間0.1～0.2μs(德國西門子S7-30 0為0.5μs)；電動機直流調速系統采用德國西門子原裝調速系統（非經國產擴容）；電控系統全部采用法國施耐德元器件。

（7）最先版本、完全自主研發的CACS計算機輔助控制系統，以硬件環境為基礎，較國外機型更適應國內坯料及加熱一般條件。

2009年4月，濟南沃茨公司生產的相同軋制力機型在山東伊萊特重工公司投產，為全球風力發電設備制造業的巨擘維斯塔斯（Vest as）、歌美颯（Games a）等公司提供環件產品。

濟南沃茨數控機械有限公司近幾年專門致力于D53K系列數控輾環機的軋制工藝、設備大型重載化、電氣系統自動化控制等領域的研究與開發，其熱輾環設備與應用工藝方面的技術與綜合能力目前在國內居于領先地位。

4. 國內外熱鍛徑－軸向數控輾環機對比

國內熱鍛輾環機生產中普遍超載使用，我公司機型已適當加大機器軋制能力并相應提高整機強度與剛度。相對于國外機型，我公司輾環機對毛坯精度的要求適當放寬，更適于國內一般生產條件，俗稱“吃粗糧”能力強。

國內外熱鍛徑－軸向數控輾環機對比細節：①國產徑－軸向輾環機，小軋制力機型空缺，大軋制力機型有待開發。②國產機型在相同軋制力配置下，軋制環件的最大截面尺寸小一些。③國產機型在相同軋制力配置下，電機功率配置通常比國外大一至兩個規格。④國產輾環機軋制環件的加工余量一般比國外大1/3左右。⑤噪聲及環保方面比國外還有差距。⑥國產機型更適于國內生產環境。

5. 環件軋制自動化控制

輾環自動化控制，是隨著電氣元器件的更新及輾環工藝的深化研究而不斷發展進步的。由于環件軋制具有非對稱性、非線性、時變、非穩態等特點，使軋環過程非常復雜，增加了檢測與控制的難度。

為了滿足生產要求，國產D53K系列徑－軸向數控輾環機全部采用以上位計算機為核心的控制系統及控制軟件。濟南沃茨公司自主研發的CACS計算機輔助控制系統，基本代表了目前國內徑－軸向輾環機自動化控制的最高水平。該系統硬件主要由上位機、下位機及各種高精度傳感器、執行元件等組成。上位機采用工控計算機，下位機是根據主機的需要采用可編程序控制器，并具有多種智能模塊，如上位機通信模塊、A/D模塊、D/A模塊、高速計數模塊及各種I/O模塊等。

控制系統軟件主要由上位機管理軟件及下位機軋制工藝軟件組成。上位機管理軟件采用圖文顯示，所有頁面均采用中文提示，使用方便，界面友好。此控制軟件提供簡潔、易用的操作界面，環件軋制過程的相關數據全部采用直觀圖形、數字等顯示模式，方便操作者對機器的工作過程進行控制和監控。上位機管理軟件操作使用極為方便。其所具有的功能為：環件的參數輸入，環件軋制過程監控，環件軋制過程參數存盤、打印，各機構參考點位置修正等。

系統具有調整、手動（半自動）與自動等工作方式選擇，根據實際需要，操作人員可選擇控制環件的外徑、內徑或中徑，多余金屬自動分配。在上位機輸入成品環尺寸、毛坯尺寸及軋制工藝代號等參數即可對環的徑向與軸向同時軋制，軋制過程中操作人員可對有關參數進行人工干預。

系統采用閉環比例控制，無級調節軋制力、定心力及軋制進給量，并具有完善的自診斷與自保護等功能。采用該CACS計算機輔助控制系統熱軋制環件的精度，已達到甚至部分超過德國公司上世紀末本世紀初的精度水平。

6. 國內熱鍛徑－軸向數控輾環機市場現狀與分析

目前，國內使用熱鍛輾環機的生產廠家地理分布不很均衡。其中徑－軸向數控輾環機（D53K系列）國內保有量約60臺，大多集中在無錫、江陰、張家港一帶及山西定襄一帶，其他如山東、河南、四川、北京、貴州、陜西、遼寧、江蘇等省市有零星分布。

輾環機制造商的綜合能力及技術水平參差不齊，提供輾環機設備性能水品亦高低不同。近幾年，在熱鍛輾環機大量增加、市場繁榮的背后存在許多深層次問題。熱鍛輾環機市場還遠未達到規范化有序化的健康發展。

徑－軸向數控輾環機屬于機器結構、液壓及電氣控制、產品成形工藝等均較復雜的熱加工設備。任何一個環節甚至一個控制參數的配置不當，都有可能極大地影響整機性能的發揮與軋制產品精度的保證。

相對于應當掌握設備及工藝復雜技術的供貨商而言，大量用戶因嚴重缺乏關于輾環機設備及工藝的基本知識而處于相對弱勢的地位。熱鍛輾環機本身屬于專機類產品，設備的參數、詳細配置、功能要求等需由供貨商與用戶共同協商后確定，因而設備供貨周期長（如D53K系列徑軸向數控輾環機目前國內供貨時間一般一年以上），供貨商一般無現貨提供。為配套輾環機設備的使用，用戶前期投資（如廠房、設備基礎制作、配套加熱設備、配套裝出料設備、配套制坯油壓機等）較大，熱鍛輾環機作為整條環件熱鍛生產線上的主軋設備一旦失敗，許多前期投入造成的損失將無法挽回，因而多數用戶對于輾環機設備成敗的評判很慎重。限于目前國內相關行業行為規范、行業產品標準及相關法律制度的不健全，責任追究比較困難。以上現存的狀況，給一些片面追求利潤的供貨商，客觀上在一定時期內提供了以次充好、以小充大的機會。這在一定程度上擾亂了原本就不甚規范的市場秩序，給整個行業的健康發展增加了困難。

國內關于熱鍛輾環機設備與實際應用技術方面的文獻，除原濟南鑄鍛所殷耀高級工程師《輾環機在工作中出現環件爬輥問題的解決方法》（1995年）、袁靈等《計算機在熱鍛設備上的應用》（1994年）、譚和滋《輾環機定心輥受力分析及其設計中的幾個問題》（1994年）、張吉光《數控輾環機最佳輾軋工藝路線的確定》（1995年）外，近幾年很少見到類似實用性、專業性強的文獻發表，為業內人員及時了解行業最新發展技術及最新動態造成不便。

熱鍛輾環機行業既要追求數量的增加，也應該注意產品品質的提高。當前影響全球的金融危機，勢必造成輾環機設備市場分布、市場份額、各家生產用戶產量等現有格局的重新洗牌。在優勝劣汰的市場法則下，危機給優秀企業帶來更多的是發展機遇。當然，市場在推動主流先進技術產品不斷發展的同時，也允許低端產品的存在，以擴大具有不同需求用戶的選擇范圍。

7. 國內熱鍛徑－軸向數控輾環機發展方向

環件熱輾壓軋制技術已經成為大型環形零件生產的高效、先進和主要的工藝方法之一。軋制生產設備如熱鍛數控輾環機，未來的發展趨勢是大型化、重載化及提高自動化控制水平。對于中小型熱鍛輾環機（傾斜立式輾環機與臥式徑向輾環機），主要是合理運用閉式或半閉式成形工藝，提高精度與效率，實現少無切削加工。

（1）大型環件熱軋制裝備及技術 直徑5000mm以上大型零件，越來越多地采用熱輾環的工藝生產，原先效率較低的馬架擴孔等工藝逐步被取代。要求輾環機設備供貨商提供大型化、重載化的輾環裝備，并配套大型環件先進的、穩定性高的軋制技術。

（2）自動軋制技術 要求輾環裝備供貨廠家深入研究國內外相關理論文獻，在相關協會的組織引領下，與大專院校及學者充分交流各方面的技術信息，結合生產實際，優化控制系統數學模型及參數設置，提高自動化控制水平，力爭達到一鍵式啟動，實現輾環全過程真正意義上的無人化全自動控制，將操作者人為的影響因素降至最低，進一步提高軋制環件產品精度及質量穩定性。

（3）軋制裝備結構多元化 學習國外先進技術，研發可抽式（上抽與下抽）芯輥軸結構、徑向軋制系統框架上下雙動式結構、定心系統非剛性同步結構、非接觸式測量反饋系統等，適應不同環件要求的不同軋制工藝，提供多種可供選擇的設備結構形式，方便軋制環件上下料，縮短輔助時間，進一步提高機器生產效率。

（4）異型截面環件軋制技術 對于異型、復雜截面環件的軋制，要求優化預制坯工藝與軋制成形工藝，以減少機加工余量，提高材料利用率，將越來越得到重視和迅速發展。

（5）軋制動態特性、新結構及新工藝在輾環裝備上的應用。