中國重型擠壓/鍛造設備發展現狀與趨勢

張 君 ，侯永超，楊 建 ，薛菲菲，李 健 ，郭曉峰

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室 中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.營口忠旺鋁業有限公司，遼寧 營口 115000）

1 引言

擠壓/鍛造的歷史可以追溯到新石器時代，在新石器時代末期，人們便已開始以錘擊天然紅銅來制造裝飾品和小用品。中國在公元前2000多年已應用冷鍛工藝制造工具。14世紀以后出現了畜力和水力落錘鍛造。1842年，英國的內史密斯制成第一臺蒸汽錘，使鍛造進入應用動力的時代。20世紀初期，隨著汽車開始大量生產，熱模鍛迅速發展，成為鍛造的主要工藝。20世紀中期，熱模鍛壓力機、平鍛機和無砧鍛錘逐漸取代了普通鍛錘，隨著鍛坯少無氧化加熱技術、高精度和高壽命模具、熱擠壓、成形軋制等新鍛造工藝和鍛造操作機、機械手以及自動鍛造生產線的發展，鍛造生產的效率和經濟效果不斷提高。

中國的擠壓/鍛造在遠古發展較快，在工業革命時代發展嚴重滯后，新中國建立后，整個國家一窮二白，重工業更是無從談起，事關軍事裝備和國家大型機械的加工設備由外國勢力把持，新中國的締造者和站立起來的國人奮發努力，沖破了重重技術難題和無法想象的困苦，終于將維系共和國脊梁的重大設備一一建造成功，其中包括300MN模鍛水壓機、120MN自由鍛造水壓機和125MN臥式擠壓水壓機。

300MN模鍛水壓機于1973年9月試車成功，擠模壓車間全部建成投產。該機投產后又作了一些改進。西南鋁加工廠用酚醛板做工作臺的滑板，解決了劃傷問題。1981年中國重型機械研究院（原西重所）為該機成功研制內控式邏輯閥和電氣系統半導體線路的平衡系統，使活動橫梁靜態平衡精度高于0.043mm/m，比前蘇聯70年代為法國制造的相似設備提高了一個數量級。

120MN自由鍛造水壓機是我國在一無資料、二無經驗、三無設備的情況下，克服重重困難，歷時4年，于1961年12月由江南造船廠制造成功，安裝在上海重型機器廠，為國家電力、冶金、化學、機械和國防工業等部門鍛造了大批特大型鍛件，至今仍正常運轉。

125MN臥式擠壓水壓機由沈陽重機廠設計制造，為四柱臥式結構、內附穿孔系統，有三級壓力。1971年1月26日，125MN擠壓機試車，3月18日驗收交工，5月正式投產。該機使我國成為繼蘇美之后第三個擁有萬噸擠壓機的國家。經過了46年，125MN臥式擠壓水壓機目前仍是亞洲最大的合金管擠壓機之一；生產期間為我國軍用、民用飛機提供了各種高精度、大規格的管棒型材。

以上三臺設備在上世紀后期為中國的國防工業發展做出了重要貢獻。

2 中國重型擠壓/鍛造裝備技術現狀

金屬擠壓/鍛造產品廣泛應用于航空航天、船舶、汽車、核電和軍工等多種領域。我國的擠壓/鍛造設備與工藝近年來也得到了快速發展，我國通過引進、消化、吸收、再創新和集成創新，研制出了具有自主知識產權的擠壓/鍛造設備和工藝技術，滿足了我國航空航天、汽車、船舶、核電和軍工等各種領域對大部分擠壓/鍛造產品的需求[1-3]。

2.1 重型金屬擠壓裝備技術

據不完全統計，全球有各種類型擠壓機約7000余臺，其中美國600余臺、日本400余臺、德國200余臺、俄羅斯400余臺、中國4000余臺。這些擠壓機的擠壓力大都在30MN以下，100MN左右的重型擠壓機40余臺，其中中國已建成 30 臺[4-5]。

第一臺125MN臥式雙動水泵－蓄勢器傳動擠壓機如圖1所示，經過40多年的使用，為我國航空航天和國防軍工等行業擠壓了大量的重型擠壓產品，成為以上行業快速發展的保障。

圖1 125 MN水壓雙動鋁擠壓生產線

圖2 改造升級后的125MN油壓雙動正反向鋁擠壓生產線

圖3 鋁擠壓生產線

長期的使用和近些年擠壓技術的迅速發展，使得這臺國寶級的設備不僅顯得技術落后，而且能耗極高，因此從2016年開始，中國重型院開始對此設備進行全面升級改造，技術升級主要包括：（1）驅動介質由水壓改為油壓；（2）增加設備反向擠壓功能；（3）升級穿孔針控制技術，在提高固定針精度的情況下，增加變徑管的擠壓；（4）升級改造了整套機械化裝備；（5）更新了全套電氣控制系統，增加了智能化控制技術；（6）升級了后部精整系統。整個改造工作在2017年底完成，并在2018年1月8日開始投入新的生產階段，建成了國內最大一條全新智能正反向擠壓生產線，如圖2所示。

2002年，由中國重型院（原西重所）在山東叢林集團建成當時國內首臺100 MN油泵直傳雙動鋁擠壓生產線（圖3a），奠定了我國新型重型擠壓生產線發展的技術基礎，也使我國重型擠壓機的設計制造步入了國際先進行列，此后，我國陸續建立了30多條重型擠壓生產線。其中技術最先進的是中鋁薩帕120MN擠壓生產線（圖3b）。

2010年，由清華大學設計的360MN立式正向鋼擠壓機在內蒙古北方重工試車成功，打破了美國350 MN立式擠壓機世界之最的地位。2012年8月，河北宏潤重工股份有限公司建成全球最大的500MN立式雙動鋼擠壓機。2016年，680MN立式雙動鋼擠壓機在青海建成。遼寧忠旺集團建設的225MN超重型臥式擠壓機已開始試車；還有更大噸位的臥式擠壓機在醞釀中，重型擠壓機的陸續投產確立了我國在擠壓裝備方面成為世界強國的地位。

雖然我國的擠壓裝備技術近年來取得了長足的進步，但是擠壓工藝方面進展緩慢，工藝研究少有突破，擠壓效率低下，能耗高，自動化程度低。國內有色金屬擠壓機的自動化程度高于黑色金屬擠壓機的自動化程度，但與發達國家相比，其可靠性、運行平穩程度、可操控性等方面仍然存在差距。黑色金屬擠壓機，特別是重型、超重型立式黑色金屬擠壓機，幾乎談不上自動化，主要以人工操作為主。

2.2 重型金屬自由鍛造裝備技術

1884年，英國曼徹斯特工廠制造了首臺鍛造水壓機，改善了鍛造壓機出現以前，鋼錠的鍛造主要由鍛錘完成的局面。自上世紀50年代起，由于液壓傳動技術和信息技術的突飛猛進使得電液控制技術在全球興起，國際上出現了具有現代控制技術的自由鍛造油壓機組。通過配置上砧夾緊和旋轉裝置、移動工作臺和橫向移砧臺裝置等，可以自動更換工具系統等使非生產時間降至最?。煌瑫r在鍛造過程中采用快速鍛造操作機配合，以滿足鍛件自動化、高效生產的要求[6]。

經過近一個世紀的發展，現代自由鍛造油壓機組具有速度快、精度高及可聯動操作等顯著特點：壓機壓下速度快，轉換頻率高，而且配備有鍛造操作機等完備的鍛造輔助工具，鍛造作業輔助工作時間大大縮短；操作機送料定位準，機組動作控制精度高；操作機與壓機配合實現自動控制和聯動控制操作。

萬噸水壓機（圖4a）經過五十多年的使用，為我國大鍛件生產奠定了基礎。在使用期間更換過橫梁。在2012年由中國重型機械研究院進行了升級改造，將原先的水系統改為了油控水系統，并全部升級換代了電氣控制系統。通過改造升級，萬噸水壓機生產效率大大提高，能耗極大地降低，設備性能得到了提高，產品精度和速度控制精度均極大提高（圖4b、c）。

在快速自由鍛造設備方面，截至2017年，國內已開發了16MN、25MN、31.5MN至50MN系列快速鍛造油壓機。在重型和超重型自由鍛造設備方面，先后投產十多臺萬噸級以上自由鍛造油/水壓機，其中國內即全球最大的三個自由鍛造油壓機分別為2008年投產的中國重型院為上重廠設計的165MN鍛造油壓機（圖5a），2011年投產的PAHNKE公司為中信重工設計的185MN雙柱鍛造油壓機（圖5b）。2014年投產的中國重型院為江蘇國光設計的195MN鍛造油壓機（圖5c）。這些大型鍛造油壓機的裝機水平代表著自由鍛造裝備的國際先進水平，生產了大量的高性能合格鍛件，為我國核電和火電等行業的大型鍛件生產奠定了基礎。

圖4 萬噸水壓機

2.3 重型金屬模鍛裝備技術

圖5 自由鍛造油壓機

重型模鍛壓機主要用于鋁合金、鈦合金、高溫合金、粉末合金等難變形材料的熱模鍛和等溫超塑性成形。其鍛造特點是可通過大的壓力、長的保壓時間、慢的變形速度來改善變形材料的致密度，用細化材料晶粒來提高鍛件的綜合性能，提高整個鍛件的變形均勻性，使難變形材料和復雜結構鍛件通過等溫鍛造和超塑性變形來滿足設計要求，可節約材料40%，達到機加工量少或近凈型目標。等溫模鍛液壓機是航空航天、軍工及其他重要機械生產重要鍛件的關鍵設備。

300MN模鍛水壓機（圖6a）在服役的多年中，為中國生產了大量的高品質大型模鍛件，與之配套的是100MN多向模鍛水壓機（圖6b）。在模鍛技術快速發展的今天，兩臺設備從設備精度、能耗和維護成本方面均顯落后，因此，在2017年，100MN多向模鍛水壓機開始水改油的設備升級換代，300MN模鍛水壓機的水改油的設備升級也在計劃之中。

2013年，由中國二重研制，中國重型院參與設計，在中國二重成功投產的800MN大型模鍛壓機（圖7a），徹底改變中國大型模鍛件長期依賴進口、受制于人的被動局面，對實現大型模鍛產品的自主保障具有重要的意義。800MN模鍛壓機總高約42米，總重約22000噸，可在800MN壓力以內任意噸位無級實施鍛造，最大模鍛壓制力可達1000MN，同步精度高，抗偏載能力強，可實現無級調壓、調速。800 MN模鍛油壓機與之配套的為200MN等溫模鍛壓機（圖7b），二者組成了目前國際能力最大、設備工藝最先進的模鍛設備，為大飛機等重要項目生產了高品質特種重型模鍛件（圖7c）。

目前國內重型模鍛設備仍在繼續建造中，而與之相應的模鍛工藝的發展顯得更為迫切，金屬擠壓模鍛設備與工藝創新能力平臺建設為發展提供了源源不斷的動力。

圖6 西南鋁模鍛設備

3 技術發展趨勢

3.1 設備重型化

隨著科技的進步以及人類生產活動的不斷延伸，國民經濟各行業對于強度、剛度及其力學性能遠高于組合件的整體結構件的需求已經凸顯，擠壓/鍛造產品的大型化、整體化和高精度已成為發展趨勢，特別是航空航天、艦船、交通運輸、能源、海洋工程以及國防工業對于整體結構件的需求更為迫切。因此擠壓/鍛造裝備的重型化將成為未來的發展主要方向，中國已經建成680MN立式擠壓機，正在建設360 MN臥式擠壓機；已經建成195MN自由鍛造油壓機和800MN模鍛油壓機，這些設備都達到了目前國內機械制造行業的極限。未來隨著機械加工行業能力的擴大，更大的超重型擠壓/鍛造設備建設也將開展。

圖7 中國二重模鍛設備

3.2 設備智能化

隨著中國制造2025的開展和德國工業4.0的布局，設備智能化的趨勢愈發明顯。擠壓/鍛造過程智能化控制技術的建立更加迫切，德國SMS公司擠壓過程CADEX智能軟件進行擠壓過程的優化控制，實現了等溫-等速擠壓、工模具自動快速裝卸乃至全機自動控制。我國也正在發展類似的智能技術；數字化鍛造工廠，以無人化生產管理方式完成從原材料到合格產品間的工藝流程，實現產品生產的程序化、數字化和遠程控制，并能自適應多品種少批量的加工產品工藝需求是目前鍛造智能化的發展目標。

3.3 節能環保生產

節能環保生產是擠壓/鍛造設備的發展新趨勢。中國重型機械研究院研發的高效低能耗工業鋁型材擠壓生產的技術核心是采用短行程前上料擠壓裝備。短行程前上料擠壓機的鋁錠坯是從擠壓筒和前梁之間進入擠壓機的，擠壓行程是傳統的擠壓機的一半，此種結構可以提高生產效率，降低能耗。

高效低能耗工業鋁型材擠壓生產的關鍵技術包括擠壓過程熱力耦合有限元建模仿真和擠壓筒溫度變化規律研究、短行程前上料擠壓裝備設計、擠壓鋁錠坯中心定位、活動擠壓墊機械手精確定位和固定非擠壓時間縮短等，并建立擠壓成形擠壓筒結構設計方法和溫度自動控制系統，提出典型鋁型材等溫擠壓技術路線。中國重型機械研究院在高效低能耗擠壓機結構形式、擠壓成形能量降低計算理論、重大零部件結構優化設計、提高固定擠壓墊壽命、降低擠壓桿和擠壓筒更換時間、通過機電液技術集成減少固定非擠壓時間、擠壓筒溫度控制理論和技術路線，以及基于速度和溫度閉環控制技術的典型鋁型材等溫擠壓技術路線等五個方面取得了重要創新，并建立了先進擠壓生產的共性技術[4,7]。

3.4 設備能力擴充

擠壓產品的大型化、整體化和高精化，要求擠壓裝備大型化、超大型化，然而由于加工、運輸及安裝能力等諸多因素的限制，擠壓裝備的無限大型化亦將受到限制，因此采用新工藝、新技術以及新型工模具（如扁擠壓技術），使同等擠壓能力的裝備擠壓出極限尺寸的產品（超大、超重、超精），將成為未來幾年擠壓裝備的發展方向。

近年來，國內50～100MN以上級大型、重型擠壓機建設快速發展。為了充分發揮重型、超重型擠壓機的噸位優勢，生產出滿足現代交通、航空航天、艦船用大型和超大型斷面鋁合金型材，尤其是高強度扁寬鋁合金型材，扁擠壓筒擠壓技術具有不可替代的作用。

由于計算機、有限元計算、工模具材料及熱處理等技術的進步，扁筒的設計制造技術有了突破性進展，俄、美、德、日等國已研制出850mm×330mm、1100mm×300mm等比壓達 600MPa以上的大型扁筒，使用壽命在10000次左右[8]。MARX公司所生產的小型擠壓筒能夠在惡劣條件下承受20000次擠壓，擁有18個熱電偶組成的八區加熱系統。雖然國外在扁筒設計方面已經純熟，但由于技術保密，通過國外進口的扁筒，成本高且維修困難。

雖然國內在扁筒的結構上做過大量的改良，但至今國內市面上仍沒有出現一款使用壽命較高的扁筒。扁筒由于形狀不對稱，容易在內襯內側圓弧頂端出現應力集中，產生裂紋。中國重型院擠壓機團隊采用ANSYS有限元軟件，分析扁筒內應力分布，并嘗試采用新結構扁擠壓筒來弱化扁擠壓筒的應力集中區域，以期建立使用壽命長的扁寬擠壓技術，提高設備擠壓能力。

300MN模鍛壓機的鍛造面積為2.5m2，800MN模鍛壓機的鍛造面積為5.5m2，目前金屬擠壓/模鍛設備與工藝創新平臺正在進行研究，通過工藝優化和邊界條件的改變，提高以上設備的鍛造面積，間接擴充設備能力。

3.5 新材料裝備和工藝技術

隨著技術的進步，新的高性能材料不斷涌現，對擠壓和鍛造裝備的要求也在不斷變化。適應新材料技術不鍛發展，研制新材料擠壓/鍛造裝備和工藝，已經迫在眉睫。中國重型院研制的具有完全知識產權的36MN鋁基陶瓷復合材料擠壓裝備成功的生產了中子吸收板，打破國外技術壟斷，為我國軍工和核電發展注入動力，未來需要更多新材料裝備和工藝技術。

3.6 大數據網絡服務

擠壓/鍛造裝備智能控制系統的構建實現管控一體智能化，將整體提高擠壓生產線的智能化水平和產品質量。其智能化實施自上而下貫穿企業管理層（ERP系統）、生產執行層（MES系統）、過程控制層（PCS系統）以及直接控制層（FCS系統）。

根據擠壓/鍛造裝備智能控制系統的功能需求，結合云計算技術，構建企業級私有云，為裝備的各個子系統提供共享的數據平臺，便于數據的有效利用以及移動終端設備的便捷訪問。實現數據的可靠、穩定和分布式管理，為仿真計算服務提供平臺基礎與指導。面向擠壓裝備智能控制平臺的私有云架構主要可以分為七個部分：虛擬服務器環境部署、標準數據通信協議、基于私有云架構的數據存儲系統、基于私有云架構的數據管理系統、虛擬化仿真計算平臺、仿真模型與仿真構件庫。大數據網絡服務成為未來重型設備發展的一個重要方向。

4 展望

擠壓機裝備在德美日三國于20世紀六七十年代開始發展，之后便是春筍般的各種擠壓技術改進，國外的擠壓機正是在20世紀八十年代迅猛發展，隨之帶動的就是歐美國家的工業發達水平迅速提高、經濟快速發展，擠壓機發展到成熟階段；而中國的擠壓機在20世紀八十年代才開始發展，工業發展才剛剛起步，因此擠壓機技術落后于國外，一開始只能依靠進口國外擠壓機，隨著技術的發展，中國的擠壓機也越來越先進，才占領了國內市場，并日臻完善，目前正在逐漸進入國際高端裝備市場。

進入21世紀以來，我國的自由鍛造裝備技術得到了長足的發展，大型鍛造裝備的數量處于國際領先地位，自由鍛造加工生產能力也得到了很大的提高。雖然我國目前可稱是自由鍛造行業的大國，但是還遠遠不能稱為自由鍛造的世界強國，還有很多問題需要研究開發：產學研用相結合，發展多學科集成仿真技術，進行自由鍛造壓機樣機的科學研發；發展自由鍛造壓機及操作機的協同控制技術，提高鍛件質量和生產效率，改善我國自由鍛造壓機與操作機的協同工作連貫性、反應敏捷度和控制精度等方面落后的局面；大力發展徑向鍛造技術，為我國長軸鍛件的制造填補技術空白。