淺析中國液壓式鍛造裝備技術發展現狀與趨勢

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

液壓式鍛造機是自由鍛水壓機演變過來的，是20世紀80年代發展起來的一種新型鍛造設備。我國在自行設計制造液壓式鍛造機的同時，采取了引進部分先進技術、合作生產、整機進口、聘請國外公司對舊壓機進行技術改造等方式，加快了我國在液壓式鍛造機領域的發展和技術的提高。

1.1 發展歷史

世界上首臺鍛造水壓機，是在1884年由英國曼徹斯特工廠制造的，此前，鋼錠的鍛造主要由鍛錘完成。1945年二戰結束后，作為戰敗方日本向我國賠償了十幾臺的鍛造設備，其中有10MN～30MN的水壓機5臺，蒸汽錘約5臺。1949年10月1日新中國成立后，我國重新建造廠房、安裝壓機及其他配套設備，雖然賠償鍛造機年久失修、設備老化、結構陳舊、性能落后，但在當時的中國，依然作為“國之大器”，為我國填補了大型鍛件生產的空白。

從我國第一個五年計劃開始，在原蘇聯援建下，分別建造了8MN、12.5MN、20MN、30MN、60MN自由鍛水壓機，并且將原來日本賠償的水壓機，經過修配改造，重新投入生產。而在20世紀50年代后，我國開始走上了自主研制的道路，并制造了從10MN～125MN不同噸位的水壓機約40臺，但技術發展緩慢。直到80年代后，我們通過技術引進、專家聘請、設備改造、整機進口、聯合制作等方式，使得我國在液壓鍛造機領域快速發展。

1.2 液壓式鍛造機的定義

液壓式鍛造機是一種以液壓作為動力源、全液壓控制的鍛壓設備。它與傳統的機械式鍛造機相比，其鍛造壓力和鍛造速度可根據工藝需求，在規定的范圍內進行無級調節，整體布局靈活、執行機構簡單、鍛造效率高、機組震動小、噪音小、能耗少且能與機械手配合使用等特點。同時，液壓式鍛造機的液壓元件及控制元件具有通用性、標準化，其設計和制造的成本低、自動化程度高和鍛造頻次高，能夠準確地控制鍛造速度和精度等優勢，已被廣泛應用到機械、鋼鐵、鐵路、航空航天等領域，不僅適用于有色與黑色金屬鋼錠開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。

1.3 鍛造機組成及工藝

液壓式鍛造機主要有以下五個部分組成：

（1）本體框架結構，用于鍛壓工作時鍛造力的執行。

（2）液壓系統，是整個鍛壓機的動力源。

（3）電控系統，以控制臺內的PLC控制為核心。

（4）潤滑系統，負責活動部件的油脂潤滑，是機械結構件運行平穩、可靠和確保使用壽命的關鍵。

（5）輔助系統。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 鍛造機裝備技術現狀

2.1 鍛造機裝備技術介紹

（1）液壓式快鍛機。目前國外比較先進的液壓式快鍛機主要是德國MEER（西馬克）、SPS（辛北爾康普）、PAHNKE（潘克）公司生產的，他們的鍛造液壓機整體技術比較先進,代表著目前國際最高水平和鍛造液壓機的發展方向。從整機結構形式上來看，快鍛機主要分為兩種：一是小型鍛壓機（一般噸位在20MN以下）采用雙立柱下拉式為主，其優點是整機重心比較低、整體穩定性比較好、液壓管路相對簡短、液壓系統的沖擊力比較小；二是中大型鍛壓機（一般噸位在25MN以上）采用上推式為主，其優點是減少活動部分橫梁的慣量，容易控制和節約能源。從立柱形式來看，快鍛機主要分兩種：一是雙立柱式，這也是目前國內外比較常見的快鍛機形式，占比達到90%以上，特別是中小型快鍛機，基本都是采用雙立柱形式；二是四立柱式。兩種形式的主要優點及區別如表1所示：

表1 雙立柱與四立柱快鍛機的主要區別

從液壓控制方式來分，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）公司設計的液壓式快鍛機就是典型的閥控方式。國內目前所設計和制造出的快鍛機，基本上都是這種形式的鍛造機；第二種是液壓泵控制方式，以PAHNKE（潘克）公司最為典型，其在這領域占據絕對領先和壟斷地位。主要區別見表2。

表2 液壓系統的閥控和泵控的主要區別

（2）液壓式四錘頭徑鍛機。四錘頭徑鍛機是近幾年發展勢頭最好的鍛壓設備，最典型的是德國MEER公司的液壓式徑鍛機，如圖1所示。

圖1 德國SMS MEER液壓式徑鍛機

液壓式徑鍛機采用四個主油缸，通過一組高強度的雙頭螺栓固定在整個機架上，組成一個框架結構安裝在基礎之上。這四個主油缸是獨立成單元的，工作原理如圖2所示。

圖2 液壓缸工作原理圖

液壓式徑鍛機的機械結構簡單，但是，其液壓系統非常龐大，電氣控制系統非常復雜，導致其維護成本高。液壓式徑鍛機相比機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。模鍛是指金屬在近似封閉的模型中整體成型，鍛件成形靠模膛來控制，可鍛造出形狀復雜、尺寸準確的零部件。具有加工余量小、節約原材料、加工量少、力學性能好等優點。但是，模鍛需要專門的模具，且模具制造工藝復雜，制造成本高、周期長，因此更加適合批量化和規模化生產。因為鍛造材料在模鍛過程中整體流動，需要鍛壓設備能力較大，如飛機上的模鍛件需要300MN甚至800MN壓力機，這樣才能實現其最高性能水平、可靠性、壽命。

2.2 中國鍛造機裝備技術現狀

（1）中國液壓快鍛機裝備技術。2011年3月，世界最大、最先進的185MN自由式鍛造油壓機組順利投產，這是中信重工與PAHNKE（潘克）公司聯合設計和制造的。這個世界級重型配備制造高端平臺，使大型鍛件實現國產化，打破國外的封鎖和壟斷。這個機組融匯了多項“世界之最”：規格世界最大；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，鍛件正負誤差不超過2mm；自動化程度世界最高，快鍛次數每分鐘可達44次以上。目前國內能夠設計和制造快鍛機的廠商比較多，主要有蘭石重工、海德馬克、中國二重、中國一重、中信重工等。

（2）中國徑鍛機裝備技術。目前國內徑鍛機的研制還比較緩慢，從20世紀80年代初到90年代末，從國外引進的徑鍛機作為參考和研制，以大連徑鍛技術研究所為代表，聯合國內各研究機構，將太原進口的SX40型徑鍛機改造結構、消化技術，于1997年研制出了SX40型徑向鍛機并投產。

從20世紀初開始，以蘭石重工有限公司、陜西創新精密研究所有限公司、中國重型機械研究院有限公司、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機械式徑鍛機，并順利實現量產，同時，2012年蘭石重工的1.6MN機械式徑鍛機實現了首次出口。

（3）中國模鍛裝備技術。在我國，從20世紀60年代起，才開始對大型模鍛機重視，首先，是中國一重在1973年為西南鋁加工廠量身設計和制造了一臺300MN模鍛水壓機，當年實現正式投產，這也代表了我國當時模鍛技術的最高水平，實現了我國大型模鍛機零的突破。此后30多年的時間里，大型模鍛機的研制和技術停滯不前，沒有投入相關人才和資金用于研發，2010年后，全國的模鍛設備呈現爆發式發展。

2013年，德陽二重研制的世界最大的800MN模鍛液壓機投入試生產，使我國與瑞典一起具備了世界最大的模鍛壓機設計和制造能力。

近期的西安閻良國家航空高技術產業基地800MN重型模鍛液壓機、江蘇昆山1000MN模鍛液壓機正在建設中，同時，也已經完成了1600MN模鍛液壓機的整體設計。

3 中國鍛造機裝備技術發展趨勢

3.1 智能化

鍛造設備的發展是伴隨工業技術的發展同步進行的，從它漫長和悠久的歷史發展過程中可以看出，鍛造設備的發展趨勢就是從最初的原始簡單發展到自動化和數控化。尤其是現在國際和國內市場也逐漸開始運用更加智能化高效化的伺服技術，通過智能化的感知，人機交互，大數據的收集與分析，與設備自動化相結合，實現制造過程和制造設備智能化。

鍛造設備的智能化，是指能夠實現鍛造設備狀態及管理智能化。設備工作參數、故障信息、維修狀況、數據趨勢等，整個車間的所有設備要有統一數據接口協議，從底層實時采集設備所有數據，形成統計報表，對現有設備提取數據，此外，要實現設備管理的終端信息智能化，并做到設備執行任務可視化，所有加工物料信息做到可視化，以及設備維修的可視化，預知性維修的及時提示。

3.2 信息化

信息化建設就是將企業原有的ERP（企業資源計劃管理）、PLM（產品生命周期管理）、MES（制造企業生產過程執行管理）、OA（辦公自動化管理）、HR（人力資源管理） 等信息孤立、分散的系統，通過數據互聯互通，實現企業整體業務精簡化、智能化。

隨著鍛造企業智能化改造的深入，當鍛造車間的設備、物料、人員信息、加工等靜態和動態信息實時更新、實時傳遞、實時決策、實時信息可視化。鍛造車間信息化的實現，改變傳統生產模式和格局，從車間生產到最終產品完工、檢驗入庫等全過程的實時數據采集，針對各種數據進行綜合分析描述，建立具有時間屬性和映射關系的數據動態模型。

3.3 高效化

鍛造設備在實現自動化、智能化、信息化后，必然帶來的就是裝備的高效化發展，如伺服液壓技術在液壓系統設計中大量運用；正弦直接驅動系統的不斷優化改進和通用化設計；交流伺服電機在驅動系統的運用等，這些新技術、新理念的不斷發展和運用，使裝備能夠更好地實現高效化運作。

裝備技術的高效化實現，結合信息化的布局，能夠合理減少后續工序與轉運，減少設備的空閑時間，將利用率提升到最高，發揮最大的生產力。

3.4 低碳化

在鍛造裝備設計中，低碳化設計是目前也是今后重點的技術攻關方向，如鍛壓設備的上伺服液壓泵系統。壓機在下行時，回程缸內的油全部由主泵吸收，注入主油缸，壓機的下行速度通過回程缸的排油量來控制，此時，壓機活動部件的重力勢能通過液壓油轉換成主泵的動能，節省電機功耗；主工作缸行程最后的泄壓，由泵來完成，油缸內的液壓能釋放帶動主泵旋轉，此過程中的能量通過電機回饋給電網，實現大幅度節能。

當系統達到預設壓力時，通過調節主泵流量，控制系統壓力，而非其他液壓系統通過溢流閥控制系統壓力。尤其在鍛造壓機的保壓工藝動作或實現恒定變形速率過程中，可以節約大量的能量。整個系統的綜合節能約在28%～38%，實現重型設備的低碳化發展趨勢。

除了上述伺服泵控系統，還有液壓伺服閥的運用、交流伺服電機的運用、節能變頻器的運用、低阻值導線的運用、低能耗光源的運用、CAE/CAD/CAPP/CAM計算機軟件的運用等等，都是裝備技術低碳化發展的真實寫照。

隨著鍛造裝備實現智能化、信息化、高效化后，必然帶來整個鍛造行業的低碳環保化發展，同時，“2030碳達峰和2060碳中和”目標的建立，從國家政策方面倒逼裝備技術向低碳化發展。

4 鍛造機行業發展前景

隨著裝備制造業的快速發展，我國鍛件產量持續保持高位，并連續多年成為全球鍛件的第一大生產國和消費國。鍛件產品作為裝備制造業所必須的關鍵基礎部件，其下游主要為航空、航天、船舶、電力、石化以及其他機械等行業的成套設備制造商，最終應用于國民經濟和國防工業的各相關行業。隨著近年來國際格局的變化，為提高我國應對國際形勢變化能力，國防投入加大將會提高軍事裝備的需求，從而帶動軍工鍛件行業的發展。

此外，在高端裝備制造領域，鍛造行業在國家一系列鼓勵政策的引導下，堅持國外引進與自主創新結合的研發模式，形成了一批具有自主知識產權的高端鍛件產品，鍛造行業整體技術水平的穩步提升，有力地推動了我國鍛造產業向高端化方向發展。

5 結語

在這萬眾創新、萬物互聯的數字時代，重視技術發展、加大科技投入，以自主開發為核心，引進先進技術和觀念，消化和吸收，創新和創造出屬于我們自己的先進技術裝備，投入鍛造行業，將我國從鍛造大國，建設成為鍛造強國，引領世界鍛造技術裝備的發展。