我國精鍛設備優質而穩定發展的典型實例

文／夏巨諶，鄧磊·華中科技大學材料學院

馮儀，余俊，夏自力·武漢新威奇科技有限公司

精鍛設備是在普通鍛造設備的基礎上發展起來的，因此也包含在普通模鍛設備中，國內外模鍛設備可分為錘類、液壓機、熱模鍛壓力機和電動螺旋壓力機四大類。其力能特性是，錘類設備屬于以沖擊為特點的動載特性；液壓機具有靜載特征；熱模鍛壓力機滑塊基本作勻速運動而呈靜載特性；電動螺旋壓力機的力能特性介乎兩者之間，而更偏向于動載。武漢新威奇科技有限公司1974 年由黃樹槐教授牽頭開始進行副螺桿液壓螺旋壓力機的研發，并研制成6 臺630 噸副螺桿液壓螺旋壓力機，分別在精鍛齒輪和葉片企業推廣應用；至1980 年在廣泛征求用戶意見并進行綜合分析的基礎上，成功研發出中小型齒輪傳動式電動螺旋壓力機及手動生產線。1993 年黃樹槐教授在卸任華中理工大學校長職務后，為將課題組取得的多項重大科研成果轉化為生產力，加上課題組中青年教師與博、碩研究生和國內外訪問學者力量雄厚的優勢，于當年成立了武漢新威奇科技有限公司，其研制和應用工作進入快速發展階段；2007 ～2016 年，新威奇團隊在已有基礎上成功研發出大中型齒輪傳動式電動螺旋壓力機與自動化生產線，進入自動化方向發展階段；其后沿著智能化方向快速發展。近20 年來，其設備不僅在國內推廣應用，而且出口到多個國家和我國臺灣地區，既創造了顯著的社會經濟效益，又有效地推動了我國裝備制造業的發展。下面按照時間順序及發展過程逐一闡述。

副螺桿傳動部件基本結構工作原理及優點

副螺桿傳動部件的結構如圖1 所示，外殼為油缸體，油缸下腔進入壓力油時，通過活塞作用向上運動，同時將與其相連接的副螺桿帶動一起上行，因夾布膠木內孔為螺紋，因而副螺桿作螺旋式上行；當活塞上腔進壓力油而下腔排油時，則副螺桿作螺旋式向下運動。副螺桿與主螺桿相連且導程相同，因此帶動主螺桿和與之相連的滑塊作上、下往復運動。

圖1 副螺桿傳動部件

該傳動部件具有結構簡單、制造容易、使用壽命長、維修方便、不受外購件供應的限制等優點。該項成果于1978 年獲全國科技大會獎，其中，布質酚醛樹脂層壓材料(也稱夾布膠木)制造的副螺母與國內首次研發的集成閥構成的副螺桿液壓驅動系統，于1983 年獲國家技術發明三等獎。

中小型齒輪傳動式電動螺旋壓力機及手動生產線(快速發展階段)

1980 ～2006 年，黃樹槐教授及其研究團隊進行齒輪傳動式電動螺旋壓力機的研發并不斷完善，成功研發出J58K 型160 ～1600 噸系列產品，J58K 型齒輪傳動式電動螺旋壓力機的結構如圖2 所示。

圖2 J58K 齒輪傳動電動螺旋壓力機結圖

這種電動螺旋壓力機同傳統摩擦壓力機相比，其性能有如下特點。

⑴小型齒輪采用布質酚醛樹脂制造，與鋼質大齒輪(飛輪)間的接觸摩擦系數僅為兩種鋼質齒輪的1/10。又因小齒輪材質輕而轉動慣量小，加上傳動鏈短，使得傳動效率大為提高，只有工作時才運轉，綜合節省電能30%以上，且隨著壓力機噸位的增大而節能效果更佳。

⑵采用加上長滑塊與導軌裝置，抗偏載能力強，工藝適用范圍寬，尤其適合于溫/熱精鍛工藝。

⑶結構簡單，使用、維護方便。

⑷推廣應用效果好。J58K 型齒輪傳動式電動螺旋壓力機及手工操作生產線在湖北、浙江、江蘇、上海、廣東、山東、重慶、四川、河南及吉林等省市的汽車、拖拉機、工程機械、礦山機械及電力金具等的零部件制造企業推廣應用，所生產的鍛件品種有直錐齒輪、同步器齒環、管接頭、變速器輪轂、鈦合金葉片、大型圓柱齒輪、剎車底板、支重輪、摩托車曲軸、十字軸、撥叉、軸承圈、挖土機鏈軌節(圖3)、汽車鋁合金鍛件等，超過100 余種。該型壓力機約占我國螺旋壓力機保有總量的60%以上，為企業創造了良好的經濟與社會效益。

圖3 J58K-2500 型電動螺旋壓力機及所生產的鏈軌節鍛件

大中齒輪傳動式電動螺旋壓力機與自動化生產線(向自動化方向發展階段)

2007 ～2016 年，新威奇團隊在繼承黃樹槐教授開創的齒輪傳動式電動螺旋壓力機研發及推廣應用的基礎上，研發2500 噸和4000 噸大型齒輪傳動式電動螺旋壓力機，湖北三環鍛造有限公司采用新威奇研發的首臺J58K-4000 型電動螺旋壓力機和立式小飛邊精鍛工藝生產盤式轉向節精密鍛件(圖4)，同熱模鍛壓力機上采用水平開式模鍛比較，材料利用率由72%～73%提高到86%～88%。

圖4 J58K-4000 型電動螺旋壓力機及所生產的部分轉向節鍛件

沿著數字化、信息化、網絡化、智能化與綠色鍛造方向快速發展

以電動螺旋壓力機為主機，目前共有采用機器人操作的自動化精鍛生產線140 余條。其中，為馬勒三環氣門驅動(湖北)有限公司建立電鐓工藝優化的人工神經網絡模型(圖5)，以此為基礎建立氣門精鍛生產線27 條，如圖6 所示,而價格僅為德國Lasco的1/5，目前，年產高端氣門8000 萬支以上，成為亞洲第一大氣門企業。同傳統設備和工藝比較，材料利用率提高12%以上，鍛件合格率由約95%提高到接近100%。

圖5 氣門電鐓工藝的神經網絡模型

圖6 氣門精鍛生產線及氣門產品

⑴直線型。如圖7 所示，其特點是生產工藝流程與物流方向一致，流動順暢。目前大部分自動化鍛造生產線都是采用這種布置方式。

⑵密集型。其特點是設備布置緊湊，占地面積小，主要用于廠房面積窄小和老車間改造，為上海某公司建立的自動化鍛造生產線是這種布置的典型，如圖8所示。

圖8 密集型精鍛生產線

⑶環保型。環保型精鍛生產線如圖9 所示。

圖9 環保型精鍛生產線

自動化鍛造生產線還出口到印度、非洲和我國臺灣省，共計6 條。這些自動化精鍛生產線的建立和應用，有效推動了我國精鍛技術及其裝備的進步。

同時，根據《中國制造2025》所提出的制造業沿著數字化、信息化、網絡化、智能化方向發展，開發以數控電動螺旋壓力機為主機的智能自動化鍛造生產線乃至智能自動化專業鍛造廠。以自動化精鍛生產線為載體的整個智能化精鍛系統，具有自學習、自適應、自調整的功能，確保獲得合格率高的優質精密鍛件，達到提質增效的目的。

其典型案例：華中科技大學同湖北三環鍛造有限公司與新威奇合作，根據三環鍛造已經優化的精鍛工藝流程，建立了15 ～30 噸中重型高端商用車轉向節智能化精鍛生產線，如圖10 所示，所生產的144 型高性能轉向節(圖4)，其關鍵技術性能指標，居國內外相同產品前列，為國內外高端客戶的首選產品。

圖10 智能自動化精鍛生產線方案示意圖

新型精鍛設備研發

為滿足國內外轎車、商務車、商用車、工程機械與常規兵器上的齒輪、連桿、前軸、轉向節、保險杠、15 ～30 噸中重型載重車車架上的大梁、橫梁、鏈軌節等關鍵零件的市場不斷變化與發展的需求，公司預研多種新型精鍛設備，目前研制的主要新型精鍛設備簡要介紹如下。

直驅式電動螺旋壓力機的研究及應用

直驅電動螺旋壓力機的基本結構及原理如圖11所示，2016 年以來，公司總經理馮儀和余俊兩位博士率領技術團隊研發了直驅式電動螺旋壓力機，由于直驅式電動螺旋壓力機性能更優越，所以第一臺樣機J58ZK-500 型調試好后，立即被浙江躍進有色金屬有限公司采用，目前已有J58ZK 160/250/315/400/500/630/800/1000/1250/1600/2000/2500型設備，均為客戶使用，客戶使用反映良好。目前正在研發噸位更大直驅式電動螺旋壓力機以滿足更多用戶要求。其特點是由齒輪傳動代替皮帶傳動，傳動鏈大為縮短，效率大為提高。

圖11 直驅式電動螺旋壓力機驅動系統

J58ZK-4000 伺服直驅式數控電動螺旋壓力機

伺服直驅式數控電動螺旋壓力機(圖12)的要點：電機直接驅動飛輪，主機結構簡單、傳動鏈短、效率高；基本部分由飛輪、螺桿、螺母、滑塊和機身組成。

圖12 J58ZK-4000 伺服直驅式數控電動螺旋壓力機

機械傳動結構：采用齒輪傳動形式，傳動效率高，有效打擊能量大；主機結構簡單，維護量少；主要部件如機身、螺桿等均通過有限元分析等手段確保設計科學，使用可靠。

電機驅動系統：采用最新的基于直接轉矩控制技術的交流永磁同步電機驅動方案，轉矩響應快且輸出平穩，無沖擊；ABB ACS880 系列變頻器和自主研制的電動螺旋壓力機專用大功率交流永磁同步電機，品質可靠，性能優越。

智能控制系統：采用自主開發的開放式體系結構的專用數控系統，自動化程度高、操作簡便且功能完備，可以很容易擴展為全自動生產線。

Y68SK 模鍛數控伺服液壓機

數控伺服液壓機(圖13)主機械結構：機身采用整體框架式結構，焊后消除應力。滑塊為優質鋼板焊接結構，焊接后退火處理，立柱、導軌采用合金材料，本機主缸及頂出缸均采用單缸結構，為活塞式油缸，主要部件如機身等均通過有限元分析等手段確保設計科學，使用可靠。

液壓控制系統：液壓動力系統于地面布置(或主機上方平臺)。液壓主控制系統采用插裝式集成閥。主油泵為齒輪泵，采用交流永磁同步電機驅動。該系統結構緊湊，動作靈敏可靠，抗污染能力強，液流阻力小，維修方便，壽命長。

電氣控制系統：液壓機電氣系統觸摸式工業顯示屏采用德國西門子S7-1200 系列。觸摸屏顯示各PLC信號功能和狀態，PLC 按總點數各預留輸入輸出20%以上，以備后續功能的擴充，預留MES 系統接口。

潤滑系統：壓機滑塊導軌采用浙江流遍的程控稀油不回收潤滑(帶集油盒)，可預設供油量和供油時間間隔，設定好后，系統即可進行工作，同時還應設有故障顯示裝置。

其特點是伺服電機驅動平均節能30%～70%，工藝適用范圍更寬。

Y68SKP 數控伺服液壓平鍛機

同傳統機械式平鍛機比較，數控伺服液壓平鍛機(圖14)結構簡單、故障率低、噪聲小、安全性高、穩定性好，易操作易維護。水平頂鍛油缸設有可調整機械限位裝置，可以保證高精度的重復定位精度。采用伺服電機直接驅動主傳動油泵，減少了控制閥回路，省去了比例伺服閥和比例泵環節，系統更加簡潔，維護保養更加方便，系統更加節能。采用PLC 和HMI控制系統，可以很方便地設置滑塊的成形曲線，調整不同的工藝方式，柔性好，控制系統穩定可靠，自動化程度高，操作簡單且功能完備，預留自動化生產線接口。主機為鋼板焊接框架式結構，機身前后主板采用整板一體化加工，機身強度高，剛性好。垂直滑塊采用四角八面導軌，導向精度更高，并且可以有效承載水平方向受力，是一種典型的創新精鍛設備。其主要用于半軸、長度較長的階梯軸和長度較長的杯桿類精密鍛件的批量生產。

圖14 Y68SKP 數控伺服液壓平鍛機

核心產品

核心產品(圖15)是根據已試驗成的精鍛工藝流程所需，由幾臺噸位相同或不同的數控電動螺旋壓力機與中頻感應加熱爐、切邊、沖孔、精整等配套設備與進料、出件及碼垛專用機構組成通過機器人操作的精鍛生產線，其特點是效率高，產品一致性好。

圖15 核心產品

10000 噸伺服直驅式電動螺旋壓力機

10000 噸伺服直驅式電動螺旋壓力機(圖16)是目前國內噸位最大的伺服直驅式電動螺旋壓力機，集多功能于一體，是目前國內外技術性能最為先進的一種新型電動螺旋壓力機。

圖16 10000 噸伺服直驅式電動螺旋壓力機

結束語

精鍛設備尤其是數控電動螺旋壓力機，具有錘類設備和熱模鍛壓力機的綜合優勢，而結構比較簡單、工藝應用面寬，使用維護容易，制造成本低，因此生產的精密鍛件性價比高，市場競爭力強。本文通過介紹該型設備的發展歷程，并以此作為典型案例，充分說明了我國先進制造技術裝備的發展速度和質量優勢。近30 年來，武漢新威奇科技有限公司在已有基礎上，不斷研制出多種智能控制的新型精密成形設備，在不斷滿足國內市場需求的同時，還出口到國外多個國家和我國臺灣地區，不僅創造了顯著的社會經濟效益，而且有效推動了我國裝備制造業的快速發展。