風(fēng)電環(huán)件鍛造工藝與裝備最新發(fā)展

閆鵬程

工欲善其事，必先利其器。風(fēng)能，是大自然對人類無私的饋贈，自20世紀(jì)70年代，在丹麥開始商業(yè)風(fēng)能的開發(fā)和利用以來。世界進(jìn)入了風(fēng)力發(fā)電的時(shí)代。但是風(fēng)電在帶給人類能源的同時(shí)，也對人類工業(yè)制造能力提出了巨大挑戰(zhàn)。巨大塔架，巨型風(fēng)力渦輪機(jī)，這些巨大設(shè)備不單是體積單純放大。而是一個(gè)國家，一個(gè)民族甚至是人類裝備制造業(yè)成果的集中體現(xiàn)。

我國風(fēng)電始于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)通過外匯從丹麥維斯塔斯公司引進(jìn)0.6MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)。當(dāng)時(shí)從安裝到調(diào)試，甚至連接塔筒的螺栓都從國外進(jìn)口。這種高強(qiáng)度螺栓在當(dāng)時(shí)的國內(nèi)無法制造。更不用說風(fēng)電塔筒，和連接法蘭等重要的風(fēng)電結(jié)構(gòu)件。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展與深入普及，工業(yè)及制造業(yè)借助于信息技術(shù)的應(yīng)用。對傳統(tǒng)裝備制造業(yè)使用的大型設(shè)備提出了信息化、智能化的要求勢在必行。

1. 徑－軸向數(shù)控輾環(huán)機(jī)

D52系列徑軸向數(shù)控輾環(huán)機(jī)是加工高質(zhì)量無縫環(huán)形工件的先進(jìn)設(shè)備，主要用于軋制風(fēng)電連接法蘭毛坯、軸承內(nèi)外套圈、齒輪圈、管道法蘭、輪轂、回轉(zhuǎn)支撐、起重運(yùn)輸機(jī)上的旋轉(zhuǎn)輪圈、大容器的加強(qiáng)圈、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體與機(jī)匣等鍛件，可軋制碳鋼、不銹鋼、鈦合金、銅合金、鋁合金及高溫合金等材質(zhì)環(huán)形件；該機(jī)上位機(jī)采用工控計(jì)算機(jī)，下位機(jī)使根據(jù)主機(jī)的需要采用德國西門子S7-300系列可編程序控制器，并具有多種智能模塊，采用目前工控行業(yè)最為穩(wěn)定快捷的總線通信、A/D模塊、D/A模塊、COUNTER模塊及各種I/O模塊等。上位機(jī)管理軟件采用了更為先進(jìn)的Wi ndows界面，操作更為簡便，鼠標(biāo)鍵盤方便快捷，使用方便，界面友好，主要參數(shù)見表1，環(huán)件輾制原理圖如圖1、圖2所示，D53型數(shù)控輾環(huán)機(jī)如圖2所示，成形的塔筒連接法蘭如圖3所示。

表1 數(shù)控徑向輾環(huán)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2. 鍛徑－軸向數(shù)控輾環(huán)工藝特點(diǎn)

（1）設(shè)備噸位小，加工范圍大 輾環(huán)成形過程是局部加壓連續(xù)小變形的累計(jì)，工件與模具接觸面積小，因此需要變形力小，設(shè)備噸位小。

（2）材料利用率高 環(huán)件軋制截面形狀更接近于成品，加工余量小。某種機(jī)械零件不同加工方法的比較如表2所示。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量好 軋制環(huán)件金屬纖維沿圓周方向連續(xù)分布，與零件使用時(shí)受力及磨損相適應(yīng)。多數(shù)情況下，軋制環(huán)件內(nèi)部組織致密、晶粒細(xì)小，綜合力學(xué)性能明顯高于其他方法加工的環(huán)件。

（4）勞動(dòng)條件好，生產(chǎn)率高 環(huán)件軋制類似靜壓軋制，基本無沖擊、振動(dòng)，噪聲低，易于操作，機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低。

（5）生產(chǎn)成本低 與自由鍛相比，材料消耗低，能源消耗低，綜合生產(chǎn)成本低，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3. 國內(nèi)熱鍛徑－軸向數(shù)控輾環(huán)機(jī)的發(fā)展

濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所自20世紀(jì)70年代開始徑－軸向臥式輾環(huán)機(jī)設(shè)備的研制，其熱輾環(huán)設(shè)備及技術(shù)研究，在隨后很長一段時(shí)間內(nèi)在國內(nèi)熱輾環(huán)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。至20世紀(jì)90年代，殷耀高級工程師主管研制的D53K－3000A型徑－軸向臥式數(shù)控輾環(huán)機(jī)獲得成功，標(biāo)志著我國開始擁有大型臥式數(shù)控?zé)彷毉h(huán)裝備的制造能力。該項(xiàng)目為國家“八五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，采用了當(dāng)時(shí)國際最先進(jìn)的芯輥下抽式結(jié)構(gòu)、徑向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)直流可調(diào)速技術(shù)、CNC自動(dòng)控制技術(shù)等，機(jī)器最大輾壓力為徑向2000k N/軸向1600k N，輾壓件直徑3500mm，最大軸向高度700mm。該機(jī)型成為當(dāng)時(shí)及隨后多年國產(chǎn)大型環(huán)件熱輾擴(kuò)的經(jīng)典機(jī)型。

21世紀(jì)初，濟(jì)南幾家民營高科技技術(shù)企業(yè)的涌現(xiàn)，極大地推動(dòng)了D53K系列徑－軸向數(shù)控輾環(huán)機(jī)工藝、設(shè)備及自動(dòng)化控制的發(fā)展。其中濟(jì)南沃茨數(shù)控機(jī)械有限公司研發(fā)的國內(nèi)首臺D53K－6300數(shù)控輾環(huán)機(jī)，2008年在張家港市三林法蘭有限公司一次試機(jī)合格，順利投入生產(chǎn)。該機(jī)為目前國內(nèi)首臺軋制能力最大的熱輾環(huán)設(shè)備，機(jī)器具有以下特點(diǎn)：

（1）動(dòng)力配置大。最大輾壓力為徑向4000kN/軸向3150kN，軋制最大成品直徑6300mm，最大成品高度900mm（中碳鋼熱鍛條件下）。

（2）軋制能力強(qiáng)。加工成品外徑6300mm、重量20000k g環(huán)件，預(yù)制坯料外徑2500mm以內(nèi)、單邊壁厚800mm、高度方向軋制量200mm以上，加熱環(huán)坯一次上機(jī)即可完成軋制。

（3）錐輥（軸向軋輥）國內(nèi)獨(dú)家采用目前國際最先進(jìn)的30°錐角設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。有效減小模具磨損，發(fā)揮更大的軋制能力。

（4）自動(dòng)化控制水平及軋制環(huán)件下機(jī)熱態(tài)精度等技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到或部分超過本世紀(jì)初國際先進(jìn)水平。軋制環(huán)件端面平整、精度高，可完全替代進(jìn)口機(jī)型。

（5）全新三維優(yōu)化設(shè)計(jì)的機(jī)器結(jié)構(gòu)，更有利于機(jī)器軋制能力的發(fā)揮，機(jī)器使用、維護(hù)、更換模具等更為方便。

圖1 環(huán)件輾制原理

圖2 D53型數(shù)控輾環(huán)機(jī)

圖3 塔筒連接法蘭

表 2

（6）機(jī)器關(guān)鍵部位大量采用進(jìn)口元器件，極大提高整機(jī)穩(wěn)定性與可靠性：液壓系統(tǒng)高精度比例閥全部采用德國力士樂原廠產(chǎn)品；電氣系統(tǒng)下位機(jī)采用日本三菱Q系列大型、高速、高性能PLC，字操作處理時(shí)間0.1～0.2μs(德國西門子S7-30 0為0.5μs)；電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)采用德國西門子原裝調(diào)速系統(tǒng)（非經(jīng)國產(chǎn)擴(kuò)容）；電控系統(tǒng)全部采用法國施耐德元器件。

（7）最先版本、完全自主研發(fā)的CACS計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)，以硬件環(huán)境為基礎(chǔ)，較國外機(jī)型更適應(yīng)國內(nèi)坯料及加熱一般條件。

2009年4月，濟(jì)南沃茨公司生產(chǎn)的相同軋制力機(jī)型在山東伊萊特重工公司投產(chǎn)，為全球風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造業(yè)的巨擘維斯塔斯（Vest as）、歌美颯（Games a）等公司提供環(huán)件產(chǎn)品。

濟(jì)南沃茨數(shù)控機(jī)械有限公司近幾年專門致力于D53K系列數(shù)控輾環(huán)機(jī)的軋制工藝、設(shè)備大型重載化、電氣系統(tǒng)自動(dòng)化控制等領(lǐng)域的研究與開發(fā)，其熱輾環(huán)設(shè)備與應(yīng)用工藝方面的技術(shù)與綜合能力目前在國內(nèi)居于領(lǐng)先地位。

4. 國內(nèi)外熱鍛徑－軸向數(shù)控輾環(huán)機(jī)對比

國內(nèi)熱鍛輾環(huán)機(jī)生產(chǎn)中普遍超載使用，我公司機(jī)型已適當(dāng)加大機(jī)器軋制能力并相應(yīng)提高整機(jī)強(qiáng)度與剛度。相對于國外機(jī)型，我公司輾環(huán)機(jī)對毛坯精度的要求適當(dāng)放寬，更適于國內(nèi)一般生產(chǎn)條件，俗稱“吃粗糧”能力強(qiáng)。

國內(nèi)外熱鍛徑－軸向數(shù)控輾環(huán)機(jī)對比細(xì)節(jié)：①國產(chǎn)徑－軸向輾環(huán)機(jī)，小軋制力機(jī)型空缺，大軋制力機(jī)型有待開發(fā)。②國產(chǎn)機(jī)型在相同軋制力配置下，軋制環(huán)件的最大截面尺寸小一些。③國產(chǎn)機(jī)型在相同軋制力配置下，電機(jī)功率配置通常比國外大一至兩個(gè)規(guī)格。④國產(chǎn)輾環(huán)機(jī)軋制環(huán)件的加工余量一般比國外大1/3左右。⑤噪聲及環(huán)保方面比國外還有差距。⑥國產(chǎn)機(jī)型更適于國內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境。

5. 環(huán)件軋制自動(dòng)化控制

輾環(huán)自動(dòng)化控制，是隨著電氣元器件的更新及輾環(huán)工藝的深化研究而不斷發(fā)展進(jìn)步的。由于環(huán)件軋制具有非對稱性、非線性、時(shí)變、非穩(wěn)態(tài)等特點(diǎn)，使軋環(huán)過程非常復(fù)雜，增加了檢測與控制的難度。

為了滿足生產(chǎn)要求，國產(chǎn)D53K系列徑－軸向數(shù)控輾環(huán)機(jī)全部采用以上位計(jì)算機(jī)為核心的控制系統(tǒng)及控制軟件。濟(jì)南沃茨公司自主研發(fā)的CACS計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)，基本代表了目前國內(nèi)徑－軸向輾環(huán)機(jī)自動(dòng)化控制的最高水平。該系統(tǒng)硬件主要由上位機(jī)、下位機(jī)及各種高精度傳感器、執(zhí)行元件等組成。上位機(jī)采用工控計(jì)算機(jī)，下位機(jī)是根據(jù)主機(jī)的需要采用可編程序控制器，并具有多種智能模塊，如上位機(jī)通信模塊、A/D模塊、D/A模塊、高速計(jì)數(shù)模塊及各種I/O模塊等。

控制系統(tǒng)軟件主要由上位機(jī)管理軟件及下位機(jī)軋制工藝軟件組成。上位機(jī)管理軟件采用圖文顯示，所有頁面均采用中文提示，使用方便，界面友好。此控制軟件提供簡潔、易用的操作界面，環(huán)件軋制過程的相關(guān)數(shù)據(jù)全部采用直觀圖形、數(shù)字等顯示模式，方便操作者對機(jī)器的工作過程進(jìn)行控制和監(jiān)控。上位機(jī)管理軟件操作使用極為方便。其所具有的功能為：環(huán)件的參數(shù)輸入，環(huán)件軋制過程監(jiān)控，環(huán)件軋制過程參數(shù)存盤、打印，各機(jī)構(gòu)參考點(diǎn)位置修正等。

系統(tǒng)具有調(diào)整、手動(dòng)（半自動(dòng)）與自動(dòng)等工作方式選擇，根據(jù)實(shí)際需要，操作人員可選擇控制環(huán)件的外徑、內(nèi)徑或中徑，多余金屬自動(dòng)分配。在上位機(jī)輸入成品環(huán)尺寸、毛坯尺寸及軋制工藝代號等參數(shù)即可對環(huán)的徑向與軸向同時(shí)軋制，軋制過程中操作人員可對有關(guān)參數(shù)進(jìn)行人工干預(yù)。

系統(tǒng)采用閉環(huán)比例控制，無級調(diào)節(jié)軋制力、定心力及軋制進(jìn)給量，并具有完善的自診斷與自保護(hù)等功能。采用該CACS計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)熱軋制環(huán)件的精度，已達(dá)到甚至部分超過德國公司上世紀(jì)末本世紀(jì)初的精度水平。

6. 國內(nèi)熱鍛徑－軸向數(shù)控輾環(huán)機(jī)市場現(xiàn)狀與分析

目前，國內(nèi)使用熱鍛輾環(huán)機(jī)的生產(chǎn)廠家地理分布不很均衡。其中徑－軸向數(shù)控輾環(huán)機(jī)（D53K系列）國內(nèi)保有量約60臺，大多集中在無錫、江陰、張家港一帶及山西定襄一帶，其他如山東、河南、四川、北京、貴州、陜西、遼寧、江蘇等省市有零星分布。

輾環(huán)機(jī)制造商的綜合能力及技術(shù)水平參差不齊，提供輾環(huán)機(jī)設(shè)備性能水品亦高低不同。近幾年，在熱鍛輾環(huán)機(jī)大量增加、市場繁榮的背后存在許多深層次問題。熱鍛輾環(huán)機(jī)市場還遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)范化有序化的健康發(fā)展。

徑－軸向數(shù)控輾環(huán)機(jī)屬于機(jī)器結(jié)構(gòu)、液壓及電氣控制、產(chǎn)品成形工藝等均較復(fù)雜的熱加工設(shè)備。任何一個(gè)環(huán)節(jié)甚至一個(gè)控制參數(shù)的配置不當(dāng)，都有可能極大地影響整機(jī)性能的發(fā)揮與軋制產(chǎn)品精度的保證。

相對于應(yīng)當(dāng)掌握設(shè)備及工藝復(fù)雜技術(shù)的供貨商而言，大量用戶因嚴(yán)重缺乏關(guān)于輾環(huán)機(jī)設(shè)備及工藝的基本知識而處于相對弱勢的地位。熱鍛輾環(huán)機(jī)本身屬于專機(jī)類產(chǎn)品，設(shè)備的參數(shù)、詳細(xì)配置、功能要求等需由供貨商與用戶共同協(xié)商后確定，因而設(shè)備供貨周期長（如D53K系列徑軸向數(shù)控輾環(huán)機(jī)目前國內(nèi)供貨時(shí)間一般一年以上），供貨商一般無現(xiàn)貨提供。為配套輾環(huán)機(jī)設(shè)備的使用，用戶前期投資（如廠房、設(shè)備基礎(chǔ)制作、配套加熱設(shè)備、配套裝出料設(shè)備、配套制坯油壓機(jī)等）較大，熱鍛輾環(huán)機(jī)作為整條環(huán)件熱鍛生產(chǎn)線上的主軋?jiān)O(shè)備一旦失敗，許多前期投入造成的損失將無法挽回，因而多數(shù)用戶對于輾環(huán)機(jī)設(shè)備成敗的評判很慎重。限于目前國內(nèi)相關(guān)行業(yè)行為規(guī)范、行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)法律制度的不健全，責(zé)任追究比較困難。以上現(xiàn)存的狀況，給一些片面追求利潤的供貨商，客觀上在一定時(shí)期內(nèi)提供了以次充好、以小充大的機(jī)會。這在一定程度上擾亂了原本就不甚規(guī)范的市場秩序，給整個(gè)行業(yè)的健康發(fā)展增加了困難。

國內(nèi)關(guān)于熱鍛輾環(huán)機(jī)設(shè)備與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)方面的文獻(xiàn)，除原濟(jì)南鑄鍛所殷耀高級工程師《輾環(huán)機(jī)在工作中出現(xiàn)環(huán)件爬輥問題的解決方法》（1995年）、袁靈等《計(jì)算機(jī)在熱鍛設(shè)備上的應(yīng)用》（1994年）、譚和滋《輾環(huán)機(jī)定心輥受力分析及其設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題》（1994年）、張吉光《數(shù)控輾環(huán)機(jī)最佳輾軋工藝路線的確定》（1995年）外，近幾年很少見到類似實(shí)用性、專業(yè)性強(qiáng)的文獻(xiàn)發(fā)表，為業(yè)內(nèi)人員及時(shí)了解行業(yè)最新發(fā)展技術(shù)及最新動(dòng)態(tài)造成不便。

熱鍛輾環(huán)機(jī)行業(yè)既要追求數(shù)量的增加，也應(yīng)該注意產(chǎn)品品質(zhì)的提高。當(dāng)前影響全球的金融危機(jī)，勢必造成輾環(huán)機(jī)設(shè)備市場分布、市場份額、各家生產(chǎn)用戶產(chǎn)量等現(xiàn)有格局的重新洗牌。在優(yōu)勝劣汰的市場法則下，危機(jī)給優(yōu)秀企業(yè)帶來更多的是發(fā)展機(jī)遇。當(dāng)然，市場在推動(dòng)主流先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品不斷發(fā)展的同時(shí)，也允許低端產(chǎn)品的存在，以擴(kuò)大具有不同需求用戶的選擇范圍。

7. 國內(nèi)熱鍛徑－軸向數(shù)控輾環(huán)機(jī)發(fā)展方向

環(huán)件熱輾壓軋制技術(shù)已經(jīng)成為大型環(huán)形零件生產(chǎn)的高效、先進(jìn)和主要的工藝方法之一。軋制生產(chǎn)設(shè)備如熱鍛數(shù)控輾環(huán)機(jī)，未來的發(fā)展趨勢是大型化、重載化及提高自動(dòng)化控制水平。對于中小型熱鍛輾環(huán)機(jī)（傾斜立式輾環(huán)機(jī)與臥式徑向輾環(huán)機(jī)），主要是合理運(yùn)用閉式或半閉式成形工藝，提高精度與效率，實(shí)現(xiàn)少無切削加工。

（1）大型環(huán)件熱軋制裝備及技術(shù) 直徑5000mm以上大型零件，越來越多地采用熱輾環(huán)的工藝生產(chǎn)，原先效率較低的馬架擴(kuò)孔等工藝逐步被取代。要求輾環(huán)機(jī)設(shè)備供貨商提供大型化、重載化的輾環(huán)裝備，并配套大型環(huán)件先進(jìn)的、穩(wěn)定性高的軋制技術(shù)。

（2）自動(dòng)軋制技術(shù) 要求輾環(huán)裝備供貨廠家深入研究國內(nèi)外相關(guān)理論文獻(xiàn)，在相關(guān)協(xié)會的組織引領(lǐng)下，與大專院校及學(xué)者充分交流各方面的技術(shù)信息，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，優(yōu)化控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)置，提高自動(dòng)化控制水平，力爭達(dá)到一鍵式啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輾環(huán)全過程真正意義上的無人化全自動(dòng)控制，將操作者人為的影響因素降至最低，進(jìn)一步提高軋制環(huán)件產(chǎn)品精度及質(zhì)量穩(wěn)定性。

（3）軋制裝備結(jié)構(gòu)多元化 學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，研發(fā)可抽式（上抽與下抽）芯輥軸結(jié)構(gòu)、徑向軋制系統(tǒng)框架上下雙動(dòng)式結(jié)構(gòu)、定心系統(tǒng)非剛性同步結(jié)構(gòu)、非接觸式測量反饋系統(tǒng)等，適應(yīng)不同環(huán)件要求的不同軋制工藝，提供多種可供選擇的設(shè)備結(jié)構(gòu)形式，方便軋制環(huán)件上下料，縮短輔助時(shí)間，進(jìn)一步提高機(jī)器生產(chǎn)效率。

（4）異型截面環(huán)件軋制技術(shù) 對于異型、復(fù)雜截面環(huán)件的軋制，要求優(yōu)化預(yù)制坯工藝與軋制成形工藝，以減少機(jī)加工余量，提高材料利用率，將越來越得到重視和迅速發(fā)展。

（5）軋制動(dòng)態(tài)特性、新結(jié)構(gòu)及新工藝在輾環(huán)裝備上的應(yīng)用。