中国重型挤压/锻造设备发展现状与趋势

张 君 ，侯永超，杨 建 ，薛菲菲，李 健 ，郭晓峰

（1.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室 中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；2.营口忠旺铝业有限公司，辽宁 营口 115000）

1 引言

挤压/锻造的历史可以追溯到新石器时代，在新石器时代末期，人们便已开始以锤击天然红铜来制造装饰品和小用品。中国在公元前2000多年已应用冷锻工艺制造工具。14世纪以后出现了畜力和水力落锤锻造。1842年，英国的内史密斯制成第一台蒸汽锤，使锻造进入应用动力的时代。20世纪初期，随着汽车开始大量生产，热模锻迅速发展，成为锻造的主要工艺。20世纪中期，热模锻压力机、平锻机和无砧锻锤逐渐取代了普通锻锤，随着锻坯少无氧化加热技术、高精度和高寿命模具、热挤压、成形轧制等新锻造工艺和锻造操作机、机械手以及自动锻造生产线的发展，锻造生产的效率和经济效果不断提高。

中国的挤压/锻造在远古发展较快，在工业革命时代发展严重滞后，新中国建立后，整个国家一穷二白，重工业更是无从谈起，事关军事装备和国家大型机械的加工设备由外国势力把持，新中国的缔造者和站立起来的国人奋发努力，冲破了重重技术难题和无法想象的困苦，终于将维系共和国脊梁的重大设备一一建造成功，其中包括300MN模锻水压机、120MN自由锻造水压机和125MN卧式挤压水压机。

300MN模锻水压机于1973年9月试车成功，挤模压车间全部建成投产。该机投产后又作了一些改进。西南铝加工厂用酚醛板做工作台的滑板，解决了划伤问题。1981年中国重型机械研究院（原西重所）为该机成功研制内控式逻辑阀和电气系统半导体线路的平衡系统，使活动横梁静态平衡精度高于0.043mm/m，比前苏联70年代为法国制造的相似设备提高了一个数量级。

120MN自由锻造水压机是我国在一无资料、二无经验、三无设备的情况下，克服重重困难，历时4年，于1961年12月由江南造船厂制造成功，安装在上海重型机器厂，为国家电力、冶金、化学、机械和国防工业等部门锻造了大批特大型锻件，至今仍正常运转。

125MN卧式挤压水压机由沈阳重机厂设计制造，为四柱卧式结构、内附穿孔系统，有三级压力。1971年1月26日，125MN挤压机试车，3月18日验收交工，5月正式投产。该机使我国成为继苏美之后第三个拥有万吨挤压机的国家。经过了46年，125MN卧式挤压水压机目前仍是亚洲最大的合金管挤压机之一；生产期间为我国军用、民用飞机提供了各种高精度、大规格的管棒型材。

以上三台设备在上世纪后期为中国的国防工业发展做出了重要贡献。

2 中国重型挤压/锻造装备技术现状

金属挤压/锻造产品广泛应用于航空航天、船舶、汽车、核电和军工等多种领域。我国的挤压/锻造设备与工艺近年来也得到了快速发展，我国通过引进、消化、吸收、再创新和集成创新，研制出了具有自主知识产权的挤压/锻造设备和工艺技术，满足了我国航空航天、汽车、船舶、核电和军工等各种领域对大部分挤压/锻造产品的需求[1-3]。

2.1 重型金属挤压装备技术

据不完全统计，全球有各种类型挤压机约7000余台，其中美国600余台、日本400余台、德国200余台、俄罗斯400余台、中国4000余台。这些挤压机的挤压力大都在30MN以下，100MN左右的重型挤压机40余台，其中中国已建成 30 台[4-5]。

第一台125MN卧式双动水泵－蓄势器传动挤压机如图1所示，经过40多年的使用，为我国航空航天和国防军工等行业挤压了大量的重型挤压产品，成为以上行业快速发展的保障。

图1 125 MN水压双动铝挤压生产线

图2 改造升级后的125MN油压双动正反向铝挤压生产线

图3 铝挤压生产线

长期的使用和近些年挤压技术的迅速发展，使得这台国宝级的设备不仅显得技术落后，而且能耗极高，因此从2016年开始，中国重型院开始对此设备进行全面升级改造，技术升级主要包括：（1）驱动介质由水压改为油压；（2）增加设备反向挤压功能；（3）升级穿孔针控制技术，在提高固定针精度的情况下，增加变径管的挤压；（4）升级改造了整套机械化装备；（5）更新了全套电气控制系统，增加了智能化控制技术；（6）升级了后部精整系统。整个改造工作在2017年底完成，并在2018年1月8日开始投入新的生产阶段，建成了国内最大一条全新智能正反向挤压生产线，如图2所示。

2002年，由中国重型院（原西重所）在山东丛林集团建成当时国内首台100 MN油泵直传双动铝挤压生产线（图3a），奠定了我国新型重型挤压生产线发展的技术基础，也使我国重型挤压机的设计制造步入了国际先进行列，此后，我国陆续建立了30多条重型挤压生产线。其中技术最先进的是中铝萨帕120MN挤压生产线（图3b）。

2010年，由清华大学设计的360MN立式正向钢挤压机在内蒙古北方重工试车成功，打破了美国350 MN立式挤压机世界之最的地位。2012年8月，河北宏润重工股份有限公司建成全球最大的500MN立式双动钢挤压机。2016年，680MN立式双动钢挤压机在青海建成。辽宁忠旺集团建设的225MN超重型卧式挤压机已开始试车；还有更大吨位的卧式挤压机在酝酿中，重型挤压机的陆续投产确立了我国在挤压装备方面成为世界强国的地位。

虽然我国的挤压装备技术近年来取得了长足的进步，但是挤压工艺方面进展缓慢，工艺研究少有突破，挤压效率低下，能耗高，自动化程度低。国内有色金属挤压机的自动化程度高于黑色金属挤压机的自动化程度，但与发达国家相比，其可靠性、运行平稳程度、可操控性等方面仍然存在差距。黑色金属挤压机，特别是重型、超重型立式黑色金属挤压机，几乎谈不上自动化，主要以人工操作为主。

2.2 重型金属自由锻造装备技术

1884年，英国曼彻斯特工厂制造了首台锻造水压机，改善了锻造压机出现以前，钢锭的锻造主要由锻锤完成的局面。自上世纪50年代起，由于液压传动技术和信息技术的突飞猛进使得电液控制技术在全球兴起，国际上出现了具有现代控制技术的自由锻造油压机组。通过配置上砧夹紧和旋转装置、移动工作台和横向移砧台装置等，可以自动更换工具系统等使非生产时间降至最小；同时在锻造过程中采用快速锻造操作机配合，以满足锻件自动化、高效生产的要求[6]。

经过近一个世纪的发展，现代自由锻造油压机组具有速度快、精度高及可联动操作等显著特点：压机压下速度快，转换频率高，而且配备有锻造操作机等完备的锻造辅助工具，锻造作业辅助工作时间大大缩短；操作机送料定位准，机组动作控制精度高；操作机与压机配合实现自动控制和联动控制操作。

万吨水压机（图4a）经过五十多年的使用，为我国大锻件生产奠定了基础。在使用期间更换过横梁。在2012年由中国重型机械研究院进行了升级改造，将原先的水系统改为了油控水系统，并全部升级换代了电气控制系统。通过改造升级，万吨水压机生产效率大大提高，能耗极大地降低，设备性能得到了提高，产品精度和速度控制精度均极大提高（图4b、c）。

在快速自由锻造设备方面，截至2017年，国内已开发了16MN、25MN、31.5MN至50MN系列快速锻造油压机。在重型和超重型自由锻造设备方面，先后投产十多台万吨级以上自由锻造油/水压机，其中国内即全球最大的三个自由锻造油压机分别为2008年投产的中国重型院为上重厂设计的165MN锻造油压机（图5a），2011年投产的PAHNKE公司为中信重工设计的185MN双柱锻造油压机（图5b）。2014年投产的中国重型院为江苏国光设计的195MN锻造油压机（图5c）。这些大型锻造油压机的装机水平代表着自由锻造装备的国际先进水平，生产了大量的高性能合格锻件，为我国核电和火电等行业的大型锻件生产奠定了基础。

图4 万吨水压机

2.3 重型金属模锻装备技术

图5 自由锻造油压机

重型模锻压机主要用于铝合金、钛合金、高温合金、粉末合金等难变形材料的热模锻和等温超塑性成形。其锻造特点是可通过大的压力、长的保压时间、慢的变形速度来改善变形材料的致密度，用细化材料晶粒来提高锻件的综合性能，提高整个锻件的变形均匀性，使难变形材料和复杂结构锻件通过等温锻造和超塑性变形来满足设计要求，可节约材料40%，达到机加工量少或近净型目标。等温模锻液压机是航空航天、军工及其他重要机械生产重要锻件的关键设备。

300MN模锻水压机（图6a）在服役的多年中，为中国生产了大量的高品质大型模锻件，与之配套的是100MN多向模锻水压机（图6b）。在模锻技术快速发展的今天，两台设备从设备精度、能耗和维护成本方面均显落后，因此，在2017年，100MN多向模锻水压机开始水改油的设备升级换代，300MN模锻水压机的水改油的设备升级也在计划之中。

2013年，由中国二重研制，中国重型院参与设计，在中国二重成功投产的800MN大型模锻压机（图7a），彻底改变中国大型模锻件长期依赖进口、受制于人的被动局面，对实现大型模锻产品的自主保障具有重要的意义。800MN模锻压机总高约42米，总重约22000吨，可在800MN压力以内任意吨位无级实施锻造，最大模锻压制力可达1000MN，同步精度高，抗偏载能力强，可实现无级调压、调速。800 MN模锻油压机与之配套的为200MN等温模锻压机（图7b），二者组成了目前国际能力最大、设备工艺最先进的模锻设备，为大飞机等重要项目生产了高品质特种重型模锻件（图7c）。

目前国内重型模锻设备仍在继续建造中，而与之相应的模锻工艺的发展显得更为迫切，金属挤压模锻设备与工艺创新能力平台建设为发展提供了源源不断的动力。

图6 西南铝模锻设备

3 技术发展趋势

3.1 设备重型化

随着科技的进步以及人类生产活动的不断延伸，国民经济各行业对于强度、刚度及其力学性能远高于组合件的整体结构件的需求已经凸显，挤压/锻造产品的大型化、整体化和高精度已成为发展趋势，特别是航空航天、舰船、交通运输、能源、海洋工程以及国防工业对于整体结构件的需求更为迫切。因此挤压/锻造装备的重型化将成为未来的发展主要方向，中国已经建成680MN立式挤压机，正在建设360 MN卧式挤压机；已经建成195MN自由锻造油压机和800MN模锻油压机，这些设备都达到了目前国内机械制造行业的极限。未来随着机械加工行业能力的扩大，更大的超重型挤压/锻造设备建设也将开展。

图7 中国二重模锻设备

3.2 设备智能化

随着中国制造2025的开展和德国工业4.0的布局，设备智能化的趋势愈发明显。挤压/锻造过程智能化控制技术的建立更加迫切，德国SMS公司挤压过程CADEX智能软件进行挤压过程的优化控制，实现了等温-等速挤压、工模具自动快速装卸乃至全机自动控制。我国也正在发展类似的智能技术；数字化锻造工厂，以无人化生产管理方式完成从原材料到合格产品间的工艺流程，实现产品生产的程序化、数字化和远程控制，并能自适应多品种少批量的加工产品工艺需求是目前锻造智能化的发展目标。

3.3 节能环保生产

节能环保生产是挤压/锻造设备的发展新趋势。中国重型机械研究院研发的高效低能耗工业铝型材挤压生产的技术核心是采用短行程前上料挤压装备。短行程前上料挤压机的铝锭坯是从挤压筒和前梁之间进入挤压机的，挤压行程是传统的挤压机的一半，此种结构可以提高生产效率，降低能耗。

高效低能耗工业铝型材挤压生产的关键技术包括挤压过程热力耦合有限元建模仿真和挤压筒温度变化规律研究、短行程前上料挤压装备设计、挤压铝锭坯中心定位、活动挤压垫机械手精确定位和固定非挤压时间缩短等，并建立挤压成形挤压筒结构设计方法和温度自动控制系统，提出典型铝型材等温挤压技术路线。中国重型机械研究院在高效低能耗挤压机结构形式、挤压成形能量降低计算理论、重大零部件结构优化设计、提高固定挤压垫寿命、降低挤压杆和挤压筒更换时间、通过机电液技术集成减少固定非挤压时间、挤压筒温度控制理论和技术路线，以及基于速度和温度闭环控制技术的典型铝型材等温挤压技术路线等五个方面取得了重要创新，并建立了先进挤压生产的共性技术[4,7]。

3.4 设备能力扩充

挤压产品的大型化、整体化和高精化，要求挤压装备大型化、超大型化，然而由于加工、运输及安装能力等诸多因素的限制，挤压装备的无限大型化亦将受到限制，因此采用新工艺、新技术以及新型工模具（如扁挤压技术），使同等挤压能力的装备挤压出极限尺寸的产品（超大、超重、超精），将成为未来几年挤压装备的发展方向。

近年来，国内50～100MN以上级大型、重型挤压机建设快速发展。为了充分发挥重型、超重型挤压机的吨位优势，生产出满足现代交通、航空航天、舰船用大型和超大型断面铝合金型材，尤其是高强度扁宽铝合金型材，扁挤压筒挤压技术具有不可替代的作用。

由于计算机、有限元计算、工模具材料及热处理等技术的进步，扁筒的设计制造技术有了突破性进展，俄、美、德、日等国已研制出850mm×330mm、1100mm×300mm等比压达 600MPa以上的大型扁筒，使用寿命在10000次左右[8]。MARX公司所生产的小型挤压筒能够在恶劣条件下承受20000次挤压，拥有18个热电偶组成的八区加热系统。虽然国外在扁筒设计方面已经纯熟，但由于技术保密，通过国外进口的扁筒，成本高且维修困难。

虽然国内在扁筒的结构上做过大量的改良，但至今国内市面上仍没有出现一款使用寿命较高的扁筒。扁筒由于形状不对称，容易在内衬内侧圆弧顶端出现应力集中，产生裂纹。中国重型院挤压机团队采用ANSYS有限元软件，分析扁筒内应力分布，并尝试采用新结构扁挤压筒来弱化扁挤压筒的应力集中区域，以期建立使用寿命长的扁宽挤压技术，提高设备挤压能力。

300MN模锻压机的锻造面积为2.5m2，800MN模锻压机的锻造面积为5.5m2，目前金属挤压/模锻设备与工艺创新平台正在进行研究，通过工艺优化和边界条件的改变，提高以上设备的锻造面积，间接扩充设备能力。

3.5 新材料装备和工艺技术

随着技术的进步，新的高性能材料不断涌现，对挤压和锻造装备的要求也在不断变化。适应新材料技术不锻发展，研制新材料挤压/锻造装备和工艺，已经迫在眉睫。中国重型院研制的具有完全知识产权的36MN铝基陶瓷复合材料挤压装备成功的生产了中子吸收板，打破国外技术垄断，为我国军工和核电发展注入动力，未来需要更多新材料装备和工艺技术。

3.6 大数据网络服务

挤压/锻造装备智能控制系统的构建实现管控一体智能化，将整体提高挤压生产线的智能化水平和产品质量。其智能化实施自上而下贯穿企业管理层（ERP系统）、生产执行层（MES系统）、过程控制层（PCS系统）以及直接控制层（FCS系统）。

根据挤压/锻造装备智能控制系统的功能需求，结合云计算技术，构建企业级私有云，为装备的各个子系统提供共享的数据平台，便于数据的有效利用以及移动终端设备的便捷访问。实现数据的可靠、稳定和分布式管理，为仿真计算服务提供平台基础与指导。面向挤压装备智能控制平台的私有云架构主要可以分为七个部分：虚拟服务器环境部署、标准数据通信协议、基于私有云架构的数据存储系统、基于私有云架构的数据管理系统、虚拟化仿真计算平台、仿真模型与仿真构件库。大数据网络服务成为未来重型设备发展的一个重要方向。

4 展望

挤压机装备在德美日三国于20世纪六七十年代开始发展，之后便是春笋般的各种挤压技术改进，国外的挤压机正是在20世纪八十年代迅猛发展，随之带动的就是欧美国家的工业发达水平迅速提高、经济快速发展，挤压机发展到成熟阶段；而中国的挤压机在20世纪八十年代才开始发展，工业发展才刚刚起步，因此挤压机技术落后于国外，一开始只能依靠进口国外挤压机，随着技术的发展，中国的挤压机也越来越先进，才占领了国内市场，并日臻完善，目前正在逐渐进入国际高端装备市场。

进入21世纪以来，我国的自由锻造装备技术得到了长足的发展，大型锻造装备的数量处于国际领先地位，自由锻造加工生产能力也得到了很大的提高。虽然我国目前可称是自由锻造行业的大国，但是还远远不能称为自由锻造的世界强国，还有很多问题需要研究开发：产学研用相结合，发展多学科集成仿真技术，进行自由锻造压机样机的科学研发；发展自由锻造压机及操作机的协同控制技术，提高锻件质量和生产效率，改善我国自由锻造压机与操作机的协同工作连贯性、反应敏捷度和控制精度等方面落后的局面；大力发展径向锻造技术，为我国长轴锻件的制造填补技术空白。