協同創新 研發多向模鍛技術

文/張旭棟·FM記者

多向模鍛是在多向模鍛液壓機上進行分模模鍛的一種鍛造技術，與普通模鍛及分模模鍛相比，它具有以下特點：(1)能使結構形狀復雜鍛件成形，顯著提高材料利用率和減少機械加工工時；(2)有助于提高零件的力學性能；(3)模具結構簡單，使用壽命長，制造成本低，使用維護方便，模具冷卻與潤滑效果好。

由于多向模鍛具有以上特點，因此被廣泛用于航空、汽車拖拉機制造、原子能工業等行業中，其中有關中空架體、活塞、軸類、筒形件、大型閥體、管接頭、飛機起落架、發動機機匣、盤軸組合件等鍛件，已開始采用多向模鍛的工藝進行生產。

2021年之前我國并沒有專門的工程中心研究多向模鍛技術。在2021年2月，上海電機學院經上海市科委批準成立了上海多向模鍛工程技術研究中心填補了國內這一空白。近期，《鍛造與沖壓》記者有幸采訪了上海電機學院機械學院(以下簡稱“學院”)教授、中國鍛壓協會多向模鍛技術專業委員會干事長辛紹杰先生，聽他給我們講一講他與多向模鍛技術的不解之緣。

結緣鍛造

辛教授與鍛造行業的緣分，要從學院2011年承擔上海重型機器廠有限公司的大型鍛件加工設備—核電封頭鍛造專用工作轉臺開發項目開始，他參與了項目實施全過程，對應用該設備進行大型鍛件的鍛造有了深刻認識，也見證了學院承擔的上海重型機器廠有限公司委托的關于鍛壓設備、輔具和典型鍛件制造的企業重大專項課題以及學校與上重等企業共同承擔的國家重大專項的實施過程。

自2017年負責機械工程學科以來，辛教授便在學院前期研究的基礎上將多向模鍛技術作為學科和個人的研究方向，結合企業需求，形成了多套模具設計方案，獲得多項發明專利，組織了多向模鍛機的設計工作，也組織了多向模鍛實驗室建設和團隊建設工作，如上海市高原學科-機械工程經過2018-2020的建設，通過了驗收，2021年成功獲批成立上海多向模鍛工程技術研究中心(以下簡稱“研究中心”)。

扎根學院

辛教授自2006年來到學院，便扎根于此，至今已15個年頭。學院是一所面向先進制造業及現代服務業，以工學為主，經濟學、管理學、文學、藝術學、理學等學科協調發展的普通高等院校。學院成立于1953年，初時校名為上海電器制造學校。學院于2013年獲批的 “上海市大型鑄鍛件制造技術協同創新中心”為上海市協同創新中心；“大件熱制造工程技術研究中心”和“多向模鍛工程技術研究中心”獲批上海市工程技術研究中心；“上海裝備制造產業發展研究中心”被列入上海高校人文社會科學重點研究基地。學校在長三角地區建有8個技術轉移分中心，推進產學研合作向縱深發展。

機械學院

機械學院創建于1953年，前身為上海電器制造學校機械制造科。機械學院與企業合作的“大型先進壓水堆核電核島主設備超大型鍛件研制及工程應用”項目獲得上海市科技進步獎一等獎；“開放式數控軟硬件系統的關鍵技術研究與應用”、“超超臨界發電裝備材料關鍵技術研發及應用”等項目獲得上海市科技進步二等獎；還有多項成果獲行業學會科技進步二等獎及上海市科技進步三等獎等。

研究中心

研究中心是上海市科委批準成立的市級工程技術研究中心。研究中心的總體目標是：以關鍵技術創新為目標，以上海市多向模鍛戰略性新興產業重大共性與關鍵技術的工程化問題為導向，建立公共研發和成果轉化服務平臺，解決多向模鍛壓機設計、成形工藝、模具制造、智能產線等的基礎理論、工程實現和規模化推廣應用等關鍵共性問題。實現產品和技術研發、對外開放服務、科技成果轉移轉化、培養和聚集高層次工程技術人才、示范應用、國內外科技合作與交流等，形成企業和行業標準，實現多種產品定型，促進并引領行業技術進步，為上海市“五個中心”和具有全球影響力的科技創新中心的建設提供多向模鍛先進成形方法的創新成果、研究團隊和服務平臺支撐。

主要研究方向包括：(1)多向模鍛成形理論與應用技術研究；(2)多向模鍛壓力機與智能化控制技術的研究；(3)模具設計制造與模具表面改性技術研究。

中心的主要任務是：(1)創建國內領先的多向模鍛工程技術研究中心；(2)開展應用技術的研發和產業化推廣；(3)開展相應的公共服務,承擔重大研發任務。

多向模鍛技術專業委員會(以下簡稱“專委會”)

學院于2021年5月31日向中國鍛壓協會遞交了“申請成立中國鍛壓協會多向模鍛技術專業委員會的函”，2021年7月16日結束的中國鍛壓協會第八屆第六次常務理事會會議通過了成立申請。專委會設主任委員一名，副主任委員單位八家，執行委員單位十二家。

專委會將開展如下工作：(1)做好行業調查與研究；組織成員單位參加經濟技術交流、人才培訓、國內外考察調研；舉辦多向模鍛技術研討會，促進技術交流。(2)發展多向模鍛成員單位，建立成員單位數據庫，及時掌握多向模鍛成形工藝、技術裝備、生產能力及經營管理現狀，開展行業咨詢服務。(3)協助企業貫徹國家標準，組織有關標準、規范的研究與學習，制定并推廣適合我國行業發展現狀的行規與行約。(4)承擔政府部門和行業單位委托的項目，參與行業開發、改造、技術成果鑒定以及新工藝、新技術、新材料的推廣應用工作。(5)促進產學研合作創新，組織專家組會同成員單位，解決多向模鍛共性技術，攻克關鍵技術，突破企業發展的技術“瓶頸”，致力于成員單位綜合實力的提升，促進民族品牌的發展壯大。

仰取俯拾

“學院擁有高水平多向模鍛技術研究團隊，參與了關于鍛件國家標準的制定，聯合出版了國內首部多向模鍛技術專著，開展了多向模鍛技術的理論研究和應用技術研究，并取得了多項研究成果。”辛教授向我們介紹學院多向模鍛技術團隊在鍛造科研方面取得的成果時說到。

6.5MN多向模鍛擠壓液壓機

多向模鍛技術團隊在研究的基礎上，設計建造了6.5MN多向模鍛擠壓液壓機，該壓機的本體采用整體板框結構，多向模鍛的合模采用4缸對稱分布，主穿孔缸位于4合模缸的中心,全部為缸底支撐；兩水平缸為拉桿缸底支撐，除此之外，為實現一機多用的目的，主穿孔缸活塞設計制造為空心活塞，當作為擠壓液壓機時，活塞孔即為擠壓產品的出料孔，下橫梁設有多向模鍛的頂出缸，此缸還是擠壓時的芯棒驅動缸。6.5MN多向模鍛液壓機設計制造有移動工作臺，方便模具的裝卸，為保證移動工作臺復位準確，采用雙向方錐鍵定位。

10.0MN 多向模鍛液壓機

多向模鍛技術團隊還設計制造了一臺10.0MN多向模鍛液壓機，該壓機本體采用4柱預緊結構，合模采用4缸方式，主穿孔缸位于4合模缸的中心。動梁滑塊八面導向，為減小偏載載荷狀況下立柱的變形，提高滑塊的運動精度，采用了滑塊加強立柱的結構。主穿孔缸與水平缸均采用復合缸，使得壓機結構緊湊，除此之外，由于凸模分為可以相對運動的兩部分，可有效地改變坯料充填模腔的順序，減小坯料在充填模腔過程中的反流，這不僅節省能量、減少模腔的磨損，還可防止鍛件表面折疊或內部撕裂。對于閥體、缸體鍛件也能有效地減小壁厚的偏差。

無法蘭三通閥體的多向模鍛

多向模鍛技術團隊開發了火電機組應用的一種無法蘭三通閥體多向模鍛工藝，它的三個通道出口都沒有法蘭，采用焊接的方法與外部管道連接。無法蘭三通閥體的另一形狀特點是，主通道內徑遠大于兩側通道，且主通道深，它的技術難點是兩側分料均勻，主通道穿孔偏差小和較高的主穿孔凸模壽命。

帶側法蘭三通閥體的多向模鍛

多向模鍛技術團隊還開發了帶側法蘭三通閥體多向模鍛工藝，該閥體多用于石油化工行業，它的技術難度較無法蘭三通閥體大，主要集中在兩側法蘭的成形與測通道的穿孔。帶側法蘭三通閥體的多向模鍛，通常它是由主模腔擠壓坯料向兩側模腔流動分料,由于兩側臂部模腔較細長,坯料流動阻力大且不等,導致兩側分料不均，造成后面法蘭成形不佳，其次是，端部坯料降溫大，再加上坯料端部形狀差，更加影響法蘭的最后形狀與尺寸。

帶主法蘭三通閥體的多向模鍛

多向模鍛技術團隊開發了帶主法蘭三通閥體多向模鍛工藝，其名字源于它的主通道端部帶有法蘭，由于法蘭與側通道之間，有一小圓柱段，當分模面垂直于主軸線時，鍛件不能脫模，因此，采用現有多向模鍛液壓機進行鍛造時，必須采用垂直分模方式，并增加輔助合模裝置。

全法蘭三通閥體的多向模鍛

全法蘭三通閥體，它的每個通道端部都設有法蘭，其名也得于此，是幾何形狀最復雜的閥體。這是多向模鍛技術團隊的又一項成果，由于幾何形狀復雜，它的成形過程也相應更為復雜，它兼具前面三種閥體的鍛造成形的技術難點，首先它需要采用垂直分模的鍛造方式，其次是法蘭成形與坯料的分料同時進行，再次是坯料的分料流動量大。

大型曲拐鍛造

大型組合曲軸是船舶制造不可缺少的部件，曲拐是大型組合曲軸制造不可缺少的零件，多向模鍛技術團隊通過試驗研究，掌握了曲拐鍛造的工藝，成功鍛造了1:5和1:1的鍛件。

采用拉深技術制造的第二代核電水室封頭1:5樣件

異形封頭拉深

異形封頭是制造容器不可缺少的零件，多向模鍛技術團隊通過試驗研發異形封頭拉深成形的技術。

護環制造技術

護環是火電機組的重要部件，多向模鍛技術團隊通過試驗研發了60萬千瓦的制造技術。

未來可期

談到研究中心未來幾年的發展計劃時，辛教授這樣回答到：“成立上海多向模鍛工程技術研究中心，發揮上海在全國多向模鍛技術應用研究領域的引領作用，通過協同創新攻克相關“卡脖子”和前瞻性技術，使多向模鍛成為推動鍛造行業轉型升級、提高企業創新力的新動力。同時，多向模鍛技術符合我國特別是上海臨港新片區低碳、先進制造的發展需求，具有重大的經濟和社會意義。

“研究中心將在2022年年底達到以下目標：(1)加強多向模鍛相關理論和關鍵共性技術的基礎科學研究，系統地構建裝備設計、成形工藝、數值模擬、模具制造等基礎理論體系和應用技術體系。尤其是解決多向模鍛壓機關鍵共性技術、新能源傳動系統VL型球籠多向模鍛成形技術和研究開發預應力組合式硬質合金材質的高精度、高強度、高壽命成形模具，解決模具表面涂層，精密拋光等關鍵制造技術，提高產品精度和模具的使用壽命。(2)組建多向模鍛裝備研發和成形技術轉化平臺，為行業提供多向模鍛工程化試驗與驗證的環境及相關技術咨詢和人員培訓服務。(3)初步實現多向模鍛技術成果的工程化或中試轉化。持續不斷地將具有廣泛市場需求或亟需國產替代的有關產品進行系統化、配套化和工程化地研究開發，為企業規模化生產提供成熟配套的先進技術、工藝及其技術產品或裝備，并不斷地推出具有高增值效益的系列新產品，推動相關產業的高質量快速發展。實行開放服務，通過市場機制搭建技術研發與產業創新之間的橋梁和平臺。

“到2025年年底，研究中心達到目標：(1)開展引進國外先進技術的消化吸收再創新，開展人員培訓，同時結合國內外智力引進工作，在工程技術研究開發方面全方位地開展國內與國際合作與交流。集聚和培養高水平的工程技術研究人才和管理人才。為行業發展、創新創業提供重要基礎設施和條件保障等服務，促進創新驅動發展。(2)建立完善的裝備設計、理論分析、成形工藝、模具制造和數值模擬驗證體系，使研究中心在多向模鍛裝備制造、成形技術和平臺服務方面處于國內領先水平，個別領域處于國際前沿。(3)以“市場導向，多元參與，優化布局、協同聯動”為指導，瞄準國內外多向模鍛研究和開發中亟待解決的關鍵工程化實現問題，以關鍵技術創新為目標，開展研發和中試，實現產品定型。(4)針對上海市重點發展的船舶、汽車、能源裝備等戰略性骨干產業，向產業提供信息共享、研發設計、聯合攻關、測試驗證、中試放大等特色鮮明的專業技術服務，實現規模化應用。”