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      摘要: 介紹了輥鍛機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)，分析了輥鍛機(jī)與其它鍛壓設(shè)備相比所具有的突出優(yōu)越性。對(duì)輥鍛機(jī)在國內(nèi)的應(yīng)用及研究發(fā)展現(xiàn)狀及其當(dāng)前急需解決的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題及進(jìn)行了闡述。對(duì)輥鍛機(jī)進(jìn)一步的研究方向提出了幾點(diǎn)建議。
  
   
     “十二五”規(guī)劃《綱要》把節(jié)能減排作為我國技術(shù)裝備和服務(wù)水平的約束性指標(biāo)后，鍛壓設(shè)備行業(yè)開始快速走上了節(jié)能環(huán)保道路。由于輥鍛工藝是連續(xù)局部塑性變形，變形力小，所需設(shè)備作用力小。與其他鍛壓設(shè)備相比，輥鍛機(jī)具有設(shè)備投資小、生產(chǎn)率高、對(duì)廠房和基礎(chǔ)要求低等優(yōu)點(diǎn)，并且易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，因而輥鍛機(jī)已成為鍛壓行業(yè)中的首選設(shè)備。現(xiàn)階段，輥鍛機(jī)在汽車、拖拉機(jī)、飛機(jī)、動(dòng)力機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工具以及日用品制造等工業(yè)部門中均越來越受到重視，具有非常大的市場(chǎng)前景 。

    1 、輥鍛機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)

    輥鍛機(jī)是一種鍛壓機(jī)械，它是利用一對(duì)相向旋轉(zhuǎn)的扇形模具使坯料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需鍛件或鍛坯的鍛造工藝，輥鍛原理如圖1 所示。由圖1 可以看出，在輥鍛變形過程中，坯料在高度方向經(jīng)輥鍛模壓縮后，除一小部分金屬橫向流動(dòng)外，大部分金屬沿坯料的長度方向流動(dòng)。因此，輥鍛變形的實(shí)質(zhì)是坯料在壓力下的延伸變形過程，適用于減小坯料截面的工序，如軸類件的拔長，板坯的碾片等。在工業(yè)應(yīng)用中，輥鍛既可作為模鍛前的制坯工序，為長軸類鍛件提供鍛造用毛坯( 稱為制坯輥鍛) ; 亦可在輥鍛機(jī)上實(shí)現(xiàn)主要的鍛件成形過程或直接輥制出鍛件( 稱為成形輥鍛) 。輥鍛機(jī)按其結(jié)構(gòu)和用途可分為懸臂式( 工作部分懸伸在床身外部) 、雙支承式( 工作鍛輥用軸承支承在兩個(gè)直立的機(jī)架中) 、復(fù)合式( 懸臂式和雙支承式這兩部分的復(fù)合) 及專用輥鍛機(jī)( 專門為輥制某些特殊工藝要求的鍛件而設(shè)計(jì)的) 等四類 。目前應(yīng)用最廣泛的是雙支承式輥鍛機(jī)，其主要組成部分為機(jī)架、輥鍛裝置、中間軸裝置、平衡裝置、機(jī)架移動(dòng)裝置、離合器、制動(dòng)器、電機(jī)裝置、飛輪制動(dòng)器、終端開關(guān)裝置、氣動(dòng)、潤滑、水冷裝置等，如圖2 所示。

                  ( a) 輥鍛開始階段( b) 輥鍛結(jié)束階段
                                圖1 輥鍛原理圖

     2 、輥鍛機(jī)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

    輥鍛機(jī)最早在國外得到廣泛應(yīng)用，尤其是在重型機(jī)械行業(yè)非常發(fā)達(dá)的德國。早在20 世紀(jì)50年代，熱模鍛壓力機(jī)開始得到迅速發(fā)展。但由于熱模鍛壓力機(jī)不適合拔長、滾壓等制坯工序，在模鍛軸類鍛件時(shí)必須配備制坯輔助設(shè)備，因此促進(jìn)了輥鍛機(jī)的應(yīng)用和推廣。我國對(duì)輥鍛機(jī)的應(yīng)用是在20 世紀(jì)70 年代開始的。當(dāng)時(shí)為了滿足國內(nèi)對(duì)輥鍛機(jī)的需求，1978 年12 月，我國機(jī)械部重礦局通過中國機(jī)械進(jìn)出口總公司從德國EUMUCO 公司引進(jìn)了全套技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)AＲWS 型系列自動(dòng)輥鍛機(jī)，使得我國可以生產(chǎn)和世界水平同步的最先進(jìn)的輥鍛機(jī)。到目前為止，國內(nèi)應(yīng)用的主要還是這種類型的輥鍛機(jī)。國內(nèi)生產(chǎn)輥鍛機(jī)的廠家主要是中國二重和北京機(jī)電所兩家單位。北京機(jī)電所在提供設(shè)備的同時(shí)還可提供輥鍛工藝與模具技術(shù)。近幾十年，國內(nèi)外學(xué)者在輥鍛機(jī)方面也進(jìn)行了大量研究。1992 年，李東平、崔力生、付沛福等介紹了輥鍛技術(shù)的特點(diǎn)與使用范圍，論述了當(dāng)時(shí)農(nóng)機(jī)行業(yè)輥鍛技術(shù)的應(yīng)用情況，并針對(duì)農(nóng)機(jī)行業(yè)中的鍛壓行業(yè)與國內(nèi)外的差距提出了在農(nóng)機(jī)行業(yè)擴(kuò)大應(yīng)用及發(fā)展輥鍛技術(shù)的建議 。2001年田碩、馬芝青、王圓等研究了新型閘瓦銷的輥鍛工藝，通過理論計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比，分析了輥鍛機(jī)研制中兩個(gè)主要參數(shù)( 壓力、功率) 的確定原則，確定出了壓力及功率合理的選用值。2002 年濟(jì)南大學(xué)的王強(qiáng)、何芳與德國的Hermann Eratz 等以輥鍛模具為對(duì)象開發(fā)了三維CAD 專用軟件Vera-CAD。該軟件能夠自動(dòng)生成輥鍛毛坯圖，優(yōu)化輥鍛工藝過程，反求原始毛坯及中間道次的坯料形狀及尺寸，最終生成模具三維型腔或電極NC 加工數(shù)據(jù)文件，繪制二維模具圖紙 。2004 年吉林大學(xué)的李世彬?qū)ψ詣?dòng)輥鍛機(jī)機(jī)械手進(jìn)行了研究，分析了輥鍛機(jī)自動(dòng)機(jī)械手關(guān)鍵部件的力學(xué)性能參數(shù)，分析了采用液壓控制系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)相結(jié)合的控制方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，并設(shè)計(jì)了自動(dòng)輥鍛機(jī)機(jī)械手控制的人機(jī)交互界面［ 。2002 年華中科技大學(xué)的陳建全對(duì)汽車前軸精密成型輥鍛及模鍛工藝與模具進(jìn)行了CAD 技術(shù)開發(fā)，在分析傳統(tǒng)計(jì)算毛坯設(shè)計(jì)不足的基礎(chǔ)上，論述了前軸CAD 系統(tǒng)獲取計(jì)算毛坯橫截面面積的原理，對(duì)比恒定步長算法，提出了一種變步長的算法 。2003 年，北京機(jī)電所的蔣鵬、羅守靖、胡福榮等研究了AＲWS 型自動(dòng)輥鍛機(jī)與加熱爐、模鍛主機(jī)的連接方式［9］。2004 年華中科技大學(xué)的劉桂華與北京機(jī)電所的任廣升、徐春國等利用軟件Deform3D 建立了輥鍛變形過程的剛粘塑性有限元系統(tǒng)模型。對(duì)圓—橢圓—圓型槽系中的輥鍛變形過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研究了輥鍛三維變形過程中材料的流動(dòng)速度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的特征及其動(dòng)態(tài)演化過程，討論了不同變形參數(shù)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響 。2005 年胡福榮、蔣鵬、余光中等CAD/CAM 技術(shù)應(yīng)用在了前軸精密輥鍛模具設(shè)計(jì)制造中。采用先進(jìn)設(shè)計(jì)手段、合理設(shè)計(jì)前軸精密輥鍛模具以達(dá)到優(yōu)化工藝、縮短調(diào)試時(shí)間的目的 。2006 年中北大學(xué)的于建民、張治民、李保成等用MSC /superform 軟件對(duì)葉片輥鍛工藝用對(duì)稱模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了坯料輥鍛過程中金屬的流動(dòng)情況、等效應(yīng)變的分布和輥鍛力矩，優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，為葉片輥鍛制坯工藝的制定提供了依據(jù) 。2007 年吉林大學(xué)的宋玉泉、王明輝、宋家旺等研制出一種新型精成形輥鍛機(jī)。該新型輥鍛機(jī)通過在傳統(tǒng)輥鍛機(jī)的上鍛輥與下鍛輥之間增設(shè)凹模板，通過齒圈齒條結(jié)構(gòu)使其同步移動(dòng)，使工件的軸向和橫向均受到凹模約束，改善了傳統(tǒng)輥鍛機(jī)不能精成形的難題 。2011 重慶大學(xué)的柳豪、周杰等研究了某型號(hào)重卡前軸成形輥鍛工藝數(shù)值模擬輔助設(shè)計(jì)及優(yōu)化問題，解決了美國某型號(hào)重卡前軸成形輥鍛工藝調(diào)試中鍛件在彈簧板與工字梁部位折疊、工字梁部位充不滿等缺陷 。到目前為止，國內(nèi)對(duì)于輥鍛機(jī)的研究基本都集中在改善當(dāng)前輥鍛工藝及輥鍛機(jī)輔助設(shè)備的研制上，而針對(duì)輥鍛機(jī)本身的研究卻鮮有報(bào)道。由于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量輥鍛并非是一個(gè)單純的工藝問題，必須克服現(xiàn)有輥鍛機(jī)的缺點(diǎn)和不足，因此如何研制出能滿足精密成型的輥鍛機(jī)就顯得尤為重要。當(dāng)前針對(duì)輥鍛設(shè)備本身的研發(fā)才剛剛起步，具有很大的研發(fā)潛力。

               1—保護(hù)罩2—大齒輪3—機(jī)架4—上齒輪5—左機(jī)架6—右機(jī)架7—離合器8—飛輪
                                                圖2 輥鍛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

      3 、輥鍛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展前景

   
     3． 1 重型化

     自改革開放以來，在我國工業(yè)增加值的構(gòu)成中，重工業(yè)的比例不斷上升，經(jīng)歷了一個(gè)“產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)重型化”的過程。2006 年以來，重工業(yè)產(chǎn)值在工業(yè)總產(chǎn)值中的比重再創(chuàng)新高，上升到70% 以上，至2008 年，這一比例更是上升到71． 33%［15］。以輥鍛機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域汽車行業(yè)為例，從世界各國重型車發(fā)展歷史看，各國專用汽車、柴油機(jī)車、礦山機(jī)械等都已經(jīng)顯示出重型化、專業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)。各國汽車制造公司都將載貨汽車重型化、發(fā)動(dòng)機(jī)大功率化以及高科技裝備化作為產(chǎn)品研制和開發(fā)的發(fā)展方向。重型車的發(fā)展已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)快速增長的動(dòng)力，直接推動(dòng)國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向重型化升級(jí)。隨著重工業(yè)比例的提高，重型車需求量的迅猛增加，大幅度提升了市場(chǎng)對(duì)大型零件的需求。這將導(dǎo)致原有的鍛壓設(shè)備噸位不足，因而推動(dòng)了對(duì)大型、重型鍛造設(shè)備的需求。由于輥鍛機(jī)的優(yōu)勢(shì)及其節(jié)能性的特點(diǎn)，對(duì)大型輥鍛機(jī)的需求量自然大幅增加。現(xiàn)在市面上應(yīng)用的輥鍛機(jī)最大的做到了1100 mm。遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了當(dāng)前的需要，所以今后幾年，應(yīng)加快對(duì)大型輥鍛機(jī)的研制，并盡快投入市場(chǎng)。

     3． 2 綠色鍛造

     為了應(yīng)對(duì)越來越嚴(yán)峻的資源、環(huán)境壓力，鍛造工業(yè)提出了采用綠色鍛造的可持續(xù)發(fā)展模式。綠色制造作為一種綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造方式，其目標(biāo)是使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，對(duì)環(huán)境的影響( 負(fù)作用) 最小，資源效率最高，并使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。鍛造作為傳統(tǒng)的熱加工行業(yè)，生產(chǎn)過程中能耗高、污染大、生產(chǎn)環(huán)境惡劣，因此迫切需要采用這種綠色制造模式，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代鍛造企業(yè)［16］。為順應(yīng)綠色鍛造的社會(huì)發(fā)展要求，輥鍛機(jī)在設(shè)計(jì)及使用過程中要走綠色發(fā)展之道，要按照資源使用效率最高、環(huán)境影響最小的理念，遵循節(jié)能、環(huán)保、安全、高效的原則。

      3． 3 精密輥鍛技術(shù)

     隨著我國制造行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)逐步從附加值低的粗放型制造邁向附加值高、技術(shù)含量高的精密型制造，相應(yīng)地對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量也提出了越來越高的要求。諸如一些軍工產(chǎn)品、航空航天產(chǎn)品、儀器儀表產(chǎn)品、汽車產(chǎn)品、微型機(jī)械產(chǎn)品，其精度要求已達(dá)到微米級(jí)、亞微米級(jí)，甚至納米級(jí)。這樣的精度要求決定了發(fā)展精密加工、超精密加工技術(shù) 。精密加工技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了機(jī)械、電子、光學(xué)、液壓、傳感器、測(cè)量技術(shù)及材料科學(xué)的發(fā)展，同時(shí)也提高了對(duì)整個(gè)鍛造行業(yè)包括輥鍛機(jī)的技術(shù)水平和加工精度的更高要求。另外，目前原材料成本在鍛造成本構(gòu)成中占到60%以上，我國輥鍛機(jī)的材料利用率在80% 左右，提高材料利用率，降低金屬損耗的潛力相當(dāng)可觀。要想持續(xù)站穩(wěn)輥鍛機(jī)市場(chǎng)，勢(shì)必要提高輥鍛機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量，提高輥鍛精密成型的性能，大大提高材料的利用率，才能保持輥鍛機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

      3． 4 潤滑技術(shù)
 
      現(xiàn)有的輥鍛機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件較多，潤滑點(diǎn)特別多，但潤滑技術(shù)卻相對(duì)落后。例如關(guān)鍵的齒輪潤滑及滑動(dòng)軸承潤滑均采用開式潤滑，不僅浪費(fèi)潤滑油，影響美觀，污染環(huán)境，且由于輥鍛件是高溫作業(yè)，容易帶來安全隱患。因此輥鍛機(jī)的潤滑技術(shù)也急需改進(jìn)。

      另外，國外一些有實(shí)力的大型鍛造公司現(xiàn)已大規(guī)模運(yùn)用機(jī)器人來代替人工生產(chǎn)，效益及安全性顯著增加，而我國目前只有少數(shù)的鍛造公司運(yùn)用機(jī)器人。一直以來以人工為主、勞作力密布的鍛造職業(yè)，機(jī)器人的使用將是大勢(shì)所趨。在10 年時(shí)間內(nèi)，我國將大步跨進(jìn)工業(yè)機(jī)器人年代。因此，在輥鍛工藝設(shè)計(jì)中要充分考慮與機(jī)器人合理高效的連接，使輥鍛機(jī)跟上鍛壓行業(yè)高效自動(dòng)化的時(shí)代。配備制作業(yè)作為我國的基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)，在將來我國經(jīng)濟(jì)前行中發(fā)揮著不可代替的作用。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化程度的深入，我國鍛件總產(chǎn)量不斷攀升，鍛造技術(shù)不斷前進(jìn)。而我國鍛造要從大國邁向強(qiáng)國，完成綠色鍛造、低碳鍛造方針，以工業(yè)機(jī)器人為中心的智能化與主動(dòng)化配備改造，無疑將為鍛造公司提高競(jìng)爭(zhēng)力，體現(xiàn)先進(jìn)制作優(yōu)勢(shì)，贏得市場(chǎng)商機(jī)供給更加有力的支持。
 

     4 、結(jié)語
 

     隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施步伐的加大，帶動(dòng)了我國鍛壓工業(yè)的蓬勃發(fā)展。在當(dāng)前國家大力推動(dòng)節(jié)能減排的形勢(shì)下，貫徹節(jié)能、環(huán)保、安全、高效的“綠色鍛造”理念，對(duì)鍛造行業(yè)顯得尤為重要。打造綠色環(huán)保的鍛造行業(yè)已是現(xiàn)今業(yè)內(nèi)勢(shì)在必行的舉措。輥鍛機(jī)以其具有設(shè)備投資小、生產(chǎn)率高、對(duì)廠房和基礎(chǔ)要求低等優(yōu)點(diǎn)獲得迅速發(fā)展的契機(jī)。當(dāng)前輥鍛機(jī)廠家應(yīng)該抓住這個(gè)契機(jī)，順應(yīng)時(shí)勢(shì)發(fā)展需要，在設(shè)計(jì)及使用過程中走綠色發(fā)展之道，積極創(chuàng)新研發(fā)出新的產(chǎn)品，大力推動(dòng)綠色生產(chǎn)以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。