锻压装备属于工业母机,是国民经济快速发展的重要保障装备,航空航天、新能源汽车、高铁、船舶和国防军工中使用的大型锻件往往是重要的承力部件,是关键核心零部件,而生产这些大型锻件的锻压装备尤其是重型锻压装备的技术水平是以上行业快速发展的根本保障。
重型锻压装备是指生产超大型锻件的锻压装备,时代不同,重型锻压装备的公称吨位具体定义也不同,在目前而言,笔者认为:重型锻压装备的名义吨位划分因设备不同和时代不同而不同,如金属挤压机,之前人们认为50 MN以上即为重型挤压机,而现在100 MN以上的挤压机才可被认为是重型挤压机,以此类推,100 MN以上的自由锻造压机,120 MN以上的多向模锻压机、300 MN以上的模锻压机、100 MN以上的拉伸矫直机和8 m以上的径轴向数控轧环机等才可被认为是重型锻压装备。
重型挤压机的不断建造,将中国高铁需要的高质量的工业铝型材价格从11万元/吨降低到3万元/吨,重型自由锻造压机、重型模锻压机和重型拉伸矫直机的建成,直接保障了核电和大飞机等对主轴、飞机起落架和中厚板的国产化需求,不仅降低了以上行业的成本,还保障了供应链安全。
1 中国重型锻压装备发展现状
20世纪六七十年代是新中国重型锻压装备建设的里程碑时代,建造了以100 MN自由锻造水压机、300 MN模锻水压机和125 MN双动水压挤压机等国宝级设备为代表的一大批国产重型锻压装备,为我国“两弹一星”事业等国家重大工程项目提供了优质的大型锻件,在后来的国民经济发展中也起着重要的支撑作用,这些设备时至今日在升级改造之后仍旧服务于国家重大需求。
21世纪初至今,是我国重型锻压装备发展的又一个里程碑时代。先后建造了具有自主知识产权的200 MN和225 MN金属挤压机、800 MN模锻油压机、195 MN自由锻造油压机、125 MN拉伸矫直机和10 m径轴向轧环机等重型锻压装备,这些装备的装机水平较之前有了很大的提高。
1.1 金属锻造装备发展现状
锻造设备是指在锻造加工中用于成形和分离的机械设备。锻造设备包括成形用的锻锤、机械压力机、液压机、螺旋压力机和平锻机,以及锻造操作机、开卷机、矫正机、剪切机等辅助设备。本文中主要叙述液压机一类的锻造设备。
1.1.1 自由锻造压机
进入21世纪,中国的自由锻造压机发展很快,中国一重和中国二重先后建造了具有自主知识产权的150 MN和160 MN自由锻造水压机,上重厂建造了具有自主知识产权的165 MN自由锻造油压机,中信重工引进了德国威普克潘克公司的185 MN自由锻造油压机,江阴国光建造了195 MN自由锻造油压机,如图1所示,这是迄今为止全球最大的自由锻造压机,由中国重型机械研究院股份公司(以下简称中国重型院)设计。据不完全统计,目前中国100 MN以上的自由锻造压机超过18台[6-7]。
图1 195 MN自由锻造油压机
Figure 1 195 MN free forging hydraulic press
随着技术的进步,21世纪和20世纪建造的重型自由锻造压机最大的区别是液体介质的改变,20世纪建造的多为水压机,21世纪建造的自由锻造压机多为油压机。水压机一般采用泵-蓄势器传动,油压机则采用泵直接传动。水压机驱动力来自蓄势罐的近似恒压力的液体,其能量的消耗与压机的工作行程S成正比,与工件变形阻力无关,能耗E=PHS0,如图2所示,能耗即图中矩形面积,远大于工艺过程需要的能耗,总效率往往不足50%。油压机采用油泵直接传动,供液压力P是随着工件载荷曲线而变化的,实时供液压力仅比工件载荷略高一点,能做到按需输出能量,能耗与实际工作一一对应,实际能耗即图中阴影面积,总效率能达到80%以上。
图2 水泵蓄势器压机和泵直接传动压机能耗原理图
Figure 2 Schematic diagram of energy consumption of hydraulic press driven by water pump-accumulator and pump direct driven press
水系统易产生腐蚀、气蚀,润滑效果差,导致严重的黏着磨损、腐蚀磨损等,使得元件内部甚至液压缸泄漏严重,且容易产生水击,引起严重的振动,能量损失严重。油系统不仅节能,元件使用寿命长,而且采用高精度变量油泵,通过伺服、比例控制系统,全面提高压机的控制精度、自动化程度和生产效率,大幅降低设备的平均功率消耗,提高设备的综合效率。目前建造的自由锻造压机在设备精度、生产效率、节能环保和智能化方面比以前水压机提高了很多。
1.1.2 模锻压机
模锻压机用于生产形状复杂的承力结构件,如飞机起落架、高铁侧梁等,目前投影面积已达到5 m2。21世纪以来,我国先后建立了800 MN、600 MN、550 MN和300 MN等6台模锻压机,其中800 MN是中国二重自行设计制造的全球最大的模锻压机[8],如图3所示。
图3 800 MN模锻油压机
Figure 3 800 MN die forging hydraulic press
800 MN大型模锻压机总高42 m,本体重量约22 000 t;是目前世界上最大吨位的模锻压机,是集机、电、液于一体的巨系统。800 MN大型模锻压机主要用于生产铝合金、钛合金、高温合金和高强钢等各类大型、精密模锻件,也用于各种低塑性的高强、耐热、耐蚀钢和低合金钢等黑色金属模锻件的生产。这些大型模锻件对航空、航天、核能、石化、船舶、动力等工业的发展奠定了至关重要设计空间和制造基础。800 MN大型模锻压机是现代制造业的标志性装备,也是综合国力的象征。800 MN大型模锻压机的研制成功,突破了重大装备设计、制造、安装、调试的技术瓶颈,实现了我国重大装备设计制造技术的跨越和升级。
1.1.3 多向模锻压机
多向模锻压机是具有垂直方向和水平方向运动的锻造压机,多向模锻以其材料利用率高、流线完整、力学性能好、生产成本低等工艺优点,已成为阀体、管件、油泵壳体、缸体、活塞、轴类、筒形件、管接头、球形接头、环形件、法兰、封头、中空架体、飞机起落架、发动机机匣、盘轴组合件等复杂零件生产工艺的首选,材料多以高强钢、不锈钢、高温合金或钛合金等特殊材料为主。
20世纪70年代建造的120 MN多向模锻水压机近几年经过升级改造为油压机,更换了新的液压系统和电气控制系统,不仅提高了压机的精度和生产效率,而且极大地降低了压机能耗,提高了设备自动化程度。21世纪以来,上海昌强重工机械有限公司建造了360 MN超大六向模锻液压机,如图4所示。中国二重建造了200 MN模锻油压机,江苏隆盛钻采机械制造有限公司建造了150 MN多向整体模锻液压机,中国二十二冶集团建造了120 MN多向模锻生产线;南京迪威尔正在建造350 MN多向双动复合挤压生产线,山东成通的多向模锻压机吨位仅次于法国InterForge Issoire公司的650 MN多向模锻水压机,最大可生产2 000 kg的多向模锻件[9]。
图4 360 MN超大六向模锻压机
Figure 4 360 MN extra large six way die forging press
1.2 金属挤压装备发展现状
金属挤压是利用金属塑性成形原理进行压力加工的一种重要方法,通过挤压将金属锭坯一次加工成管棒型材。金属挤压机是实现金属挤压加工的最主要设备。
1.2.1 铝及铝合金挤压
中国的铝挤压装备在2000年之后发展很快,2010年前先后建立了100 MN、125 MN和150 MN双动铝挤压生产线,2010年后开始了重型挤压技术集群的建设,建成了200 MN铝挤压生产线(如图5所示)和225 MN铝挤压生产线。截至目前,国内建成90 MN及以上铝挤压机超过40 台。其中有一半以上的重型挤压机由中国重型院设计成套[10-12]。
图5 200 MN正向单动短行程前上料铝挤压机
Figure 5 200 MN forward single action short stroke front feeding aluminum extruder
21世纪以来,中国铝挤压技术进步很快,在双动反向、有效摩擦挤压和变径管挤压技术方面均实现了突破,有效摩擦挤压彻底消除了粗晶层的出现,提高了产品的质量。通过改变穿孔针“瓶针”头的运动,中国重型院和西工大成功试制了内变径和外变径无缝管材,如图6所示。
图6 内外变径的铝合金无缝铝管
Figure 6 Seamless aluminum pipe of aluminum alloy with inner and outer diameter variation
1.2.2 铜及铜合金挤压
铜挤压机在21世纪初有一定发展,建设了31.5 MN、40 MN和55 MN双动铜挤压机,其中的55 MN双动铜挤压机为反向挤压,建设在金川公司,为进口意大利布莱塞茨公司设备,是目前国内最大的铜挤压机。相比铝挤压机,铜挤压机由于需求量和工艺的原因,发展速度很慢,年需求量也不大。
1.2.3 其他金属挤压机
黑色金属挤压机和其他合金挤压机在21世纪也有一定的需求,中国建造了360 MN垂直挤压机,主要用于生产钢管。后来建造的550 MN和680 MN模锻设备,虽然带有一定的挤压功能,但还不是真正意义上的挤压机。
在钛合金方面,中国重型院为宝钛集团建造的63 MN挤压机是目前国内最大的钛合金挤压机,如图7所示。
图7 63 MN钛合金挤压生产线
Figure 7 63 MN titanium alloy extruding production line
63 MN钛合金挤压机可挤制钛合金无缝管材最大外径∅325 mm,钛合金型材最大截面积5 000 mm2,该设备填补了我国高性能大截面复杂结构钛合金型材挤压成型装备及技术的空白,可满足我国航空航天领域对大截面高性能钛合金型材的需求。
1.3 金属特种成形装备
金属特种成形技术是相对较新且符合绿色制造可持续发展模式的先进成形技术。具体讲就是指直接利用电能、热能、化学能、电化学能、声能、光能等或将其与机械能组合等形式,综合利用相关光机电先进技术,实现零部件的成形加工,以获得规定的几何形状、尺寸精度、表面质量和力学性能的绿色成形方法。金属特种成形装备包括特殊的成形或连接机理设备(超塑性/扩散连接/超高压成形)、特殊的成形方式(液压胀形/局部加载/消失模/快速成形)、特殊的施力介质(电磁成形/液力成形/激光焊接)、特殊的变形体状态(压铸/挤压铸造/半固态成形)等装备。
1.3.1 超高压成形装备
金属静液挤压原理是通过挤压杆加压给挤压筒中的液体,由液体将压力传给锭坯,使金属锭坯在高压下通过模具成形,静液挤压可以施加给变形金属锭坯的压力最高可达1 800 MPa,是典型的超高压成形装备。由于坯料侧面无摩擦力所以变形均匀,进而可提高挤压变形量,所需的挤压力也比普通挤压方式小。中国重型院为宁波52所建造了32 MN静液挤压机,如图8所示,于2022年试车成功,最高压力达到1 800 MPa。
图8 32 MN静液挤压机
Figure 8 32 MN static hydraulic extruder
32 MN静液挤压机是国内首台可用于工业化生产的大型静液挤压设备,该设备的投产,为兵器52所开展钨合金等穿甲弹弹芯材料的高性能静液挤压成形技术研究提供了工艺和装备支撑。
1.3.2 对轮旋压装备
旋压是将平板或空心坯料固定在旋压机的模具上,在坯料随机床主轴转动的同时,用旋轮或赶棒加压于坯料,使之产生局部的塑性变形。旋压是一种特殊的成形方法。传统的旋压装备也称普旋装备,旋压时坯料内表面紧靠芯模且端部靠在肩台,毛坯和芯模随主轴旋转后,旋轮同时与芯模母线保持给定距离,并作平行于芯模轴线方向的进给运动,逐渐挤压坯料,实现成形。对轮强力旋压使用内旋轮代替了芯模,用一对或几对内外旋轮同时对工件的内外侧进行加工。
对轮强力旋压主要针对加工难度极大的大型火箭薄壁筒体的旋压成形,可实现薄壁、大直径、大长度、高强度钢筒体的高精度加工,解决了大型火箭薄壁高筒件低刚性旋压的关键难题。用内外主动旋轮同时对工件内外表面进行加工,采用全电伺服驱动控制,具有柔性好、能效高、成本低,筒体内外侧性能好且均匀一致,生产效率高等优点。
中国重型院和西安交大为航天四院提供的2 m级对轮强力旋压装备(如图9所示)已经完成安装调试,下一步将开发研制更大直径的对轮强力旋压装备。
图9 2.2 m对轮旋压装备
Figure 9 2.2 m counterwheel flow forming equipment
2 重型锻压装备发展趋势思考
随着我国国民经济的快速发展,尤其是对深空、深海、深地战略的不断深入,空间站、火星探测、深海空间站、地球深部矿物资源勘探等将极大促进重型锻压装备的发展。笔者认为:极端制造、重型化、智能化、轻量化、短流程、低成本和多学科交叉融合将成为重型锻压装备未来发展趋势。
2.1 极端制造
锻压装备重型化一直贯穿着锻压装备的发展,只不过不同阶段对极端制造的定义不同,这主要是受制造业加工能力的限制。目前阶段的重型装备在百年之前是遥不可及的,而在百年之后不一定还能立于重型装备的行列之中,极端制造能力也是在不断提高。
极端制造的本质特征是尺度效应和环境效应。在极端尺度和极端环境下,材料、构件的物理性能将产生明显的非常规现象,甚至与现有物理学、材料科学和加工制造原理相悖,必须研究相应的新原理、新方法和新技术。极端制造的基本科学问题是研究物质如何通过与能量的复杂、精准的交互作用演变为极端性能产品的科学规律。
极大化就是重型化,这是重型锻压装备的本质特征,也是永久的发展趋势。极端条件制造包括极高压力制造和极低温度制造等,主要是在这些极端条件下改变金属的特性,尤其是提高金属的塑性。
2.2 智能化技术
智能化是提高重型锻压装备生产效率和产品质量的有效方法,通过提出数据驱动的锻压过程多尺度/全过程建模与虚实映射方法,构建基于工艺数据库/知识库/模型库的数字孪生系统,开发成形智能集成控制软件,实现生产过程的智能感知、学习、决策和精准闭环控制,形成基于集成计算材料工程、大数据与人工智能交叉融合的关键金属构件锻压成形过程智能控制共性技术,并将其应用于重型锻压装备生产过程可以实现重型锻压装备的智能化。
2.3 绿色制造技术
双碳战略倡导绿色、环保、低碳的生产方式,对于能源消耗比较多的重型锻压装备来说,节能环保的绿色制造技术是发展趋势的重要方面,采取有效的手段,减少重型锻压装备生产过程中的污染,降低生产能耗,可以提高重型锻压装备能源利用水平,增强竞争力。
3 结束语
综上所述,中国重型锻压装备总体发展速度比较快,技术水平也有了很大的提高,重型锻压装备的吨位已居全球首位,在工艺方面还需进一步的提高,未来在重型化、智能化和绿色制造方面需要更多的发展。
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