夏巨諶  

華中科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、我國(guó)著名鍛壓專家。主持了國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目等諸多國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目。發(fā)表了300余篇學(xué)術(shù)論文，出版了5本專著。授權(quán)了30項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專利和3項(xiàng)國(guó)際發(fā)明專利，獲得了國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明四等獎(jiǎng)、教育部科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)一等獎(jiǎng)、GM中國(guó)科技成就一等獎(jiǎng)、湖北省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等眾多科研獎(jiǎng)勵(lì)。

精鍛設(shè)備是在普通鍛造設(shè)備的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，因此也包含在普通模鍛設(shè)備中，國(guó)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(dòng)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(diǎn)的動(dòng)載特性；液壓機(jī)具有靜載特性；熱模鍛壓力機(jī)滑塊基本作勻速運(yùn)動(dòng)而呈靜載特性；電動(dòng)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(shì)，更偏向于動(dòng)載特性，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(jià)比高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)。本文通過(guò)介紹該型設(shè)備的發(fā)展歷程，并以武漢新威奇作為典型案例，充分說(shuō)明了我國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)裝備的發(fā)展速度和質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。

1974年由黃樹(shù)槐教授牽頭開(kāi)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(tái)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(jiàn)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(dòng)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)及手動(dòng)生產(chǎn)線。

1993年黃樹(shù)槐教授在卸任華中理工大學(xué)校長(zhǎng)職務(wù)后，為將課題組取得的多項(xiàng)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(guó)內(nèi)外訪問(wèn)學(xué)者力量雄厚的優(yōu)勢(shì)，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(duì)在已有基礎(chǔ)上成功研發(fā)出大中型齒輪傳動(dòng)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)與自動(dòng)化生產(chǎn)線，進(jìn)入自動(dòng)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(lái)，新威奇的設(shè)備不僅在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛，而且出口到多個(gè)國(guó)家和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，既創(chuàng)造了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，又有效地推動(dòng)了我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展。下面按照時(shí)間順序及發(fā)展過(guò)程逐一闡述。

副螺桿傳動(dòng)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(shí)，通過(guò)活塞作用向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將與其相連接的副螺桿帶動(dòng)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(shí)，則副螺桿作螺旋式向下運(yùn)動(dòng)。副螺桿與主螺桿相連且導(dǎo)程相同，因此帶動(dòng)主螺桿和與之相連的滑塊作上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 副螺桿傳動(dòng)部件

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

1980～2006年，黃樹(shù)槐教授及其研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行齒輪傳動(dòng)式電動(dòng)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(dòng)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 J58K齒輪傳動(dòng)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)結(jié)圖

這種電動(dòng)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(diǎn)：

小型齒輪采用布質(zhì)酚醛樹(shù)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(dòng)慣量小，加上傳動(dòng)鏈短，使得傳動(dòng)效率大為提高，只有工作時(shí)才運(yùn)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。

采用加上長(zhǎng)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。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用、維護(hù)方便。

推廣應(yīng)用效果好。J58K型齒輪傳動(dòng)式電動(dòng)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(guò)100余種。該型壓力機(jī)約占我國(guó)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(huì)效益。

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

2007～2016年，新威奇團(tuán)隊(duì)在繼承黃樹(shù)槐教授開(kāi)創(chuàng)的齒輪傳動(dòng)式電動(dòng)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(dòng)式電動(dòng)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(tái)J58K-4000型電動(dòng)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(kāi)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(dòng)螺旋壓力機(jī)及所生產(chǎn)的部分轉(zhuǎn)向節(jié)

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(dòng)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(dòng)化精鍛生產(chǎn)線140余條。其中，為馬勒三環(huán)氣門驅(qū)動(dòng)(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(jià)格僅為德國(guó)Lasco的1/5，目前，年產(chǎn)高端氣門8000萬(wàn)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

圖7 直線型精鍛生產(chǎn)線

其特點(diǎn)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(dòng)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

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(dòng)化鍛造生產(chǎn)線還出口到印度、非洲和我國(guó)臺(tái)灣省，共計(jì)6條。這些自動(dòng)化精鍛生產(chǎn)線的建立和應(yīng)用，有效推動(dòng)了我國(guó)精鍛技術(shù)及其裝備的進(jìn)步。

同時(shí)，根據(jù)《中國(guó)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(kāi)發(fā)以數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)為主機(jī)的智能自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線乃至智能自動(dòng)化專業(yè)鍛造廠。以自動(dòng)化精鍛生產(chǎn)線為載體的整個(gè)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(guó)內(nèi)外相同產(chǎn)品前列，為國(guó)內(nèi)外高端客戶的首選產(chǎn)品。

圖10 智能自動(dòng)化精鍛生產(chǎn)線方案示意圖

為滿足國(guó)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(xiǎn)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(chǎng)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(jiǎn)要介紹如下。

直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的研究及應(yīng)用

直驅(qū)電動(dòng)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(lái)，公司總經(jīng)理馮儀和余俊兩位博士率領(lǐng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)，由于直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)性能更優(yōu)越，所以第一臺(tái)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(dòng)螺旋壓力機(jī)以滿足更多用戶要求。其特點(diǎn)是由齒輪傳動(dòng)代替皮帶傳動(dòng)，傳動(dòng)鏈大為縮短，效率大為提高。

圖11 直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

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

伺服直驅(qū)式數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)(圖12)的要點(diǎn)：電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)飛輪，主機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)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(dòng)螺旋壓力機(jī)

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

電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)方案，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快且輸出平穩(wěn)，無(wú)沖擊；ABB ACS880系列變頻器和自主研制的電動(dòng)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(kāi)發(fā)的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的專用數(shù)控系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便且功能完備，可以很容易擴(kuò)展為全自動(dòng)生產(chǎn)線。

  Y68SK模鍛數(shù)控伺服液壓機(jī)  

圖13 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?；瑝K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(guò)有限元分析等手段確保設(shè)計(jì)科學(xué)，使用可靠。

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

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(guó)西門子S7-1200系列。觸摸屏顯示各PLC信號(hào)功能和狀態(tài)，PLC按總點(diǎn)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(rùn)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(rùn)滑(帶集油盒)，可預(yù)設(shè)供油量和供油時(shí)間間隔，設(shè)定好后，系統(tǒng)即可進(jìn)行工作，同時(shí)還應(yīng)設(shè)有故障顯示裝置。

其特點(diǎn)是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)主傳動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單且功能完備，預(yù)留自動(dòng)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(zhǎng)度較長(zhǎng)的階梯軸和長(zhǎng)度較長(zhǎng)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(yàn)成的精鍛工藝流程所需，由幾臺(tái)噸位相同或不同的數(shù)控電動(dòng)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(guò)機(jī)器人操作的精鍛生產(chǎn)線，其特點(diǎn)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(dòng)螺旋壓力機(jī)  

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

圖16 10000噸伺服直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)