我國精鍛設(shè)備優(yōu)質(zhì)而穩(wěn)定發(fā)展的典型實例

文／夏巨諶，鄧?yán)凇とA中科技大學(xué)材料學(xué)院

馮儀，余俊，夏自力·武漢新威奇科技有限公司

精鍛設(shè)備是在普通鍛造設(shè)備的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此也包含在普通模鍛設(shè)備中，國內(nèi)外模鍛設(shè)備可分為錘類、液壓機(jī)、熱模鍛壓力機(jī)和電動螺旋壓力機(jī)四大類。其力能特性是，錘類設(shè)備屬于以沖擊為特點的動載特性；液壓機(jī)具有靜載特征；熱模鍛壓力機(jī)滑塊基本作勻速運動而呈靜載特性；電動螺旋壓力機(jī)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(jìn)行副螺桿液壓螺旋壓力機(jī)的研發(fā)，并研制成6 臺630 噸副螺桿液壓螺旋壓力機(jī)，分別在精鍛齒輪和葉片企業(yè)推廣應(yīng)用；至1980 年在廣泛征求用戶意見并進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，成功研發(fā)出中小型齒輪傳動式電動螺旋壓力機(jī)及手動生產(chǎn)線。1993 年黃樹槐教授在卸任華中理工大學(xué)校長職務(wù)后，為將課題組取得的多項重大科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，加上課題組中青年教師與博、碩研究生和國內(nèi)外訪問學(xué)者力量雄厚的優(yōu)勢，于當(dāng)年成立了武漢新威奇科技有限公司，其研制和應(yīng)用工作進(jìn)入快速發(fā)展階段；2007 ～2016 年，新威奇團(tuán)隊在已有基礎(chǔ)上成功研發(fā)出大中型齒輪傳動式電動螺旋壓力機(jī)與自動化生產(chǎn)線，進(jìn)入自動化方向發(fā)展階段；其后沿著智能化方向快速發(fā)展。近20 年來，其設(shè)備不僅在國內(nèi)推廣應(yīng)用，而且出口到多個國家和我國臺灣地區(qū)，既創(chuàng)造了顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益，又有效地推動了我國裝備制造業(yè)的發(fā)展。下面按照時間順序及發(fā)展過程逐一闡述。

副螺桿傳動部件基本結(jié)構(gòu)工作原理及優(yōu)點

副螺桿傳動部件的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，外殼為油缸體，油缸下腔進(jìn)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(nèi)孔為螺紋，因而副螺桿作螺旋式上行；當(dāng)活塞上腔進(jìn)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(dǎo)程相同，因此帶動主螺桿和與之相連的滑塊作上、下往復(fù)運動。

圖1 副螺桿傳動部件

該傳動部件具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用壽命長、維修方便、不受外購件供應(yīng)的限制等優(yōu)點。該項成果于1978 年獲全國科技大會獎，其中，布質(zhì)酚醛樹脂層壓材料(也稱夾布膠木)制造的副螺母與國內(nèi)首次研發(fā)的集成閥構(gòu)成的副螺桿液壓驅(qū)動系統(tǒng)，于1983 年獲國家技術(shù)發(fā)明三等獎。

中小型齒輪傳動式電動螺旋壓力機(jī)及手動生產(chǎn)線(快速發(fā)展階段)

1980 ～2006 年，黃樹槐教授及其研究團(tuán)隊進(jìn)行齒輪傳動式電動螺旋壓力機(jī)的研發(fā)并不斷完善，成功研發(fā)出J58K 型160 ～1600 噸系列產(chǎn)品，J58K 型齒輪傳動式電動螺旋壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 J58K 齒輪傳動電動螺旋壓力機(jī)結(jié)圖

這種電動螺旋壓力機(jī)同傳統(tǒng)摩擦壓力機(jī)相比，其性能有如下特點。

⑴小型齒輪采用布質(zhì)酚醛樹脂制造，與鋼質(zhì)大齒輪(飛輪)間的接觸摩擦系數(shù)僅為兩種鋼質(zhì)齒輪的1/10。又因小齒輪材質(zhì)輕而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，綜合節(jié)省電能30%以上，且隨著壓力機(jī)噸位的增大而節(jié)能效果更佳。

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

⑶結(jié)構(gòu)簡單，使用、維護(hù)方便。

⑷推廣應(yīng)用效果好。J58K 型齒輪傳動式電動螺旋壓力機(jī)及手工操作生產(chǎn)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(jī)、工程機(jī)械、礦山機(jī)械及電力金具等的零部件制造企業(yè)推廣應(yīng)用，所生產(chǎn)的鍛件品種有直錐齒輪、同步器齒環(huán)、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(jī)鏈軌節(jié)(圖3)、汽車鋁合金鍛件等，超過100 余種。該型壓力機(jī)約占我國螺旋壓力機(jī)保有總量的60%以上，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

圖3 J58K-2500 型電動螺旋壓力機(jī)及所生產(chǎn)的鏈軌節(jié)鍛件

大中齒輪傳動式電動螺旋壓力機(jī)與自動化生產(chǎn)線(向自動化方向發(fā)展階段)

2007 ～2016 年，新威奇團(tuán)隊在繼承黃樹槐教授開創(chuàng)的齒輪傳動式電動螺旋壓力機(jī)研發(fā)及推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)上，研發(fā)2500 噸和4000 噸大型齒輪傳動式電動螺旋壓力機(jī)，湖北三環(huán)鍛造有限公司采用新威奇研發(fā)的首臺J58K-4000 型電動螺旋壓力機(jī)和立式小飛邊精鍛工藝生產(chǎn)盤式轉(zhuǎn)向節(jié)精密鍛件(圖4)，同熱模鍛壓力機(jī)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(jī)及所生產(chǎn)的部分轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件

沿著數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化與綠色鍛造方向快速發(fā)展

以電動螺旋壓力機(jī)為主機(jī)，目前共有采用機(jī)器人操作的自動化精鍛生產(chǎn)線140 余條。其中，為馬勒三環(huán)氣門驅(qū)動(湖北)有限公司建立電鐓工藝優(yōu)化的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(圖5)，以此為基礎(chǔ)建立氣門精鍛生產(chǎn)線27 條，如圖6 所示,而價格僅為德國Lasco的1/5，目前，年產(chǎn)高端氣門8000 萬支以上，成為亞洲第一大氣門企業(yè)。同傳統(tǒng)設(shè)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

圖6 氣門精鍛生產(chǎn)線及氣門產(chǎn)品

⑴直線型。如圖7 所示，其特點是生產(chǎn)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(chǎn)線都是采用這種布置方式。

⑵密集型。其特點是設(shè)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(chǎn)線是這種布置的典型，如圖8所示。

圖8 密集型精鍛生產(chǎn)線

⑶環(huán)保型。環(huán)保型精鍛生產(chǎn)線如圖9 所示。

圖9 環(huán)保型精鍛生產(chǎn)線

自動化鍛造生產(chǎn)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(chǎn)線的建立和應(yīng)用，有效推動了我國精鍛技術(shù)及其裝備的進(jìn)步。

同時，根據(jù)《中國制造2025》所提出的制造業(yè)沿著數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，開發(fā)以數(shù)控電動螺旋壓力機(jī)為主機(jī)的智能自動化鍛造生產(chǎn)線乃至智能自動化專業(yè)鍛造廠。以自動化精鍛生產(chǎn)線為載體的整個智能化精鍛系統(tǒng)，具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自調(diào)整的功能，確保獲得合格率高的優(yōu)質(zhì)精密鍛件，達(dá)到提質(zhì)增效的目的。

其典型案例：華中科技大學(xué)同湖北三環(huán)鍛造有限公司與新威奇合作，根據(jù)三環(huán)鍛造已經(jīng)優(yōu)化的精鍛工藝流程，建立了15 ～30 噸中重型高端商用車轉(zhuǎn)向節(jié)智能化精鍛生產(chǎn)線，如圖10 所示，所生產(chǎn)的144 型高性能轉(zhuǎn)向節(jié)(圖4)，其關(guān)鍵技術(shù)性能指標(biāo)，居國內(nèi)外相同產(chǎn)品前列，為國內(nèi)外高端客戶的首選產(chǎn)品。

圖10 智能自動化精鍛生產(chǎn)線方案示意圖

新型精鍛設(shè)備研發(fā)

為滿足國內(nèi)外轎車、商務(wù)車、商用車、工程機(jī)械與常規(guī)兵器上的齒輪、連桿、前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、保險杠、15 ～30 噸中重型載重車車架上的大梁、橫梁、鏈軌節(jié)等關(guān)鍵零件的市場不斷變化與發(fā)展的需求，公司預(yù)研多種新型精鍛設(shè)備，目前研制的主要新型精鍛設(shè)備簡要介紹如下。

直驅(qū)式電動螺旋壓力機(jī)的研究及應(yīng)用

直驅(qū)電動螺旋壓力機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及原理如圖11所示，2016 年以來，公司總經(jīng)理馮儀和余俊兩位博士率領(lǐng)技術(shù)團(tuán)隊研發(fā)了直驅(qū)式電動螺旋壓力機(jī)，由于直驅(qū)式電動螺旋壓力機(jī)性能更優(yōu)越，所以第一臺樣機(jī)J58ZK-500 型調(diào)試好后，立即被浙江躍進(jìn)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(shè)備，均為客戶使用，客戶使用反映良好。目前正在研發(fā)噸位更大直驅(qū)式電動螺旋壓力機(jī)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(qū)式電動螺旋壓力機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

J58ZK-4000 伺服直驅(qū)式數(shù)控電動螺旋壓力機(jī)

伺服直驅(qū)式數(shù)控電動螺旋壓力機(jī)(圖12)的要點：電機(jī)直接驅(qū)動飛輪，主機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、傳動鏈短、效率高；基本部分由飛輪、螺桿、螺母、滑塊和機(jī)身組成。

圖12 J58ZK-4000 伺服直驅(qū)式數(shù)控電動螺旋壓力機(jī)

機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)：采用齒輪傳動形式，傳動效率高，有效打擊能量大；主機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)量少；主要部件如機(jī)身、螺桿等均通過有限元分析等手段確保設(shè)計科學(xué)，使用可靠。

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)：采用最新的基于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動方案，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快且輸出平穩(wěn)，無沖擊；ABB ACS880 系列變頻器和自主研制的電動螺旋壓力機(jī)專用大功率交流永磁同步電機(jī)，品質(zhì)可靠，性能優(yōu)越。

智能控制系統(tǒng)：采用自主開發(fā)的開放式體系結(jié)構(gòu)的專用數(shù)控系統(tǒng)，自動化程度高、操作簡便且功能完備，可以很容易擴(kuò)展為全自動生產(chǎn)線。

Y68SK 模鍛數(shù)控伺服液壓機(jī)

數(shù)控伺服液壓機(jī)(圖13)主機(jī)械結(jié)構(gòu)：機(jī)身采用整體框架式結(jié)構(gòu)，焊后消除應(yīng)力。滑塊為優(yōu)質(zhì)鋼板焊接結(jié)構(gòu)，焊接后退火處理，立柱、導(dǎo)軌采用合金材料，本機(jī)主缸及頂出缸均采用單缸結(jié)構(gòu)，為活塞式油缸，主要部件如機(jī)身等均通過有限元分析等手段確保設(shè)計科學(xué)，使用可靠。

液壓控制系統(tǒng)：液壓動力系統(tǒng)于地面布置(或主機(jī)上方平臺)。液壓主控制系統(tǒng)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(jī)驅(qū)動。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，動作靈敏可靠，抗污染能力強(qiáng)，液流阻力小，維修方便，壽命長。

電氣控制系統(tǒng)：液壓機(jī)電氣系統(tǒng)觸摸式工業(yè)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(tài)，PLC 按總點數(shù)各預(yù)留輸入輸出20%以上，以備后續(xù)功能的擴(kuò)充，預(yù)留MES 系統(tǒng)接口。

潤滑系統(tǒng)：壓機(jī)滑塊導(dǎo)軌采用浙江流遍的程控稀油不回收潤滑(帶集油盒)，可預(yù)設(shè)供油量和供油時間間隔，設(shè)定好后，系統(tǒng)即可進(jìn)行工作，同時還應(yīng)設(shè)有故障顯示裝置。

其特點是伺服電機(jī)驅(qū)動平均節(jié)能30%～70%，工藝適用范圍更寬。

Y68SKP 數(shù)控伺服液壓平鍛機(jī)

同傳統(tǒng)機(jī)械式平鍛機(jī)比較，數(shù)控伺服液壓平鍛機(jī)(圖14)結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、噪聲小、安全性高、穩(wěn)定性好，易操作易維護(hù)。水平頂鍛油缸設(shè)有可調(diào)整機(jī)械限位裝置，可以保證高精度的重復(fù)定位精度。采用伺服電機(jī)直接驅(qū)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(huán)節(jié)，系統(tǒng)更加簡潔，維護(hù)保養(yǎng)更加方便，系統(tǒng)更加節(jié)能。采用PLC 和HMI控制系統(tǒng)，可以很方便地設(shè)置滑塊的成形曲線，調(diào)整不同的工藝方式，柔性好，控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，自動化程度高，操作簡單且功能完備，預(yù)留自動化生產(chǎn)線接口。主機(jī)為鋼板焊接框架式結(jié)構(gòu)，機(jī)身前后主板采用整板一體化加工，機(jī)身強(qiáng)度高，剛性好。垂直滑塊采用四角八面導(dǎo)軌，導(dǎo)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(chuàng)新精鍛設(shè)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(chǎn)。

圖14 Y68SKP 數(shù)控伺服液壓平鍛機(jī)

核心產(chǎn)品

核心產(chǎn)品(圖15)是根據(jù)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(shù)控電動螺旋壓力機(jī)與中頻感應(yīng)加熱爐、切邊、沖孔、精整等配套設(shè)備與進(jìn)料、出件及碼垛專用機(jī)構(gòu)組成通過機(jī)器人操作的精鍛生產(chǎn)線，其特點是效率高，產(chǎn)品一致性好。

圖15 核心產(chǎn)品

10000 噸伺服直驅(qū)式電動螺旋壓力機(jī)

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

圖16 10000 噸伺服直驅(qū)式電動螺旋壓力機(jī)

結(jié)束語

精鍛設(shè)備尤其是數(shù)控電動螺旋壓力機(jī)，具有錘類設(shè)備和熱模鍛壓力機(jī)的綜合優(yōu)勢，而結(jié)構(gòu)比較簡單、工藝應(yīng)用面寬，使用維護(hù)容易，制造成本低，因此生產(chǎn)的精密鍛件性價比高，市場競爭力強(qiáng)。本文通過介紹該型設(shè)備的發(fā)展歷程，并以此作為典型案例，充分說明了我國先進(jìn)制造技術(shù)裝備的發(fā)展速度和質(zhì)量優(yōu)勢。近30 年來，武漢新威奇科技有限公司在已有基礎(chǔ)上，不斷研制出多種智能控制的新型精密成形設(shè)備，在不斷滿足國內(nèi)市場需求的同時，還出口到國外多個國家和我國臺灣地區(qū)，不僅創(chuàng)造了顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益，而且有效推動了我國裝備制造業(yè)的快速發(fā)展。