瞭望丨“四维制造”赋能绿色智造转型

  ◇今年7月,总投资逾10亿元的路威轮毂生产线,在江西抚州试运行。这是国内外首条数字化连续化自动化的锻造铝轮毂生产线年研发攻关的德玛“四维制造”项目成果进入产业化阶段

  ◇“四维制造”是在传统立体化叠加式的“三维制造”基础上,运用力对冲与平衡原理,引入全新的力学考量维度,形成的“四维制造”工作法

  ◇从变革装备、技术、工艺等着手,“四维制造”创新改造锻压机等传统装备,有效实现节能减排、绿色制造

  ◇以锻铝轮毂生产线为例,“四维制造”技术的系列装备,均采用对称一体化结构与模块化生产,力与力矩对消近100%,可降低振幅75%,减少能耗80%,提高刚性度4倍、精度4个几何级,生产效率提高10倍,性能、节能、环保等综合效益可提升10倍

  运用“四维制造”技术研发的 4 个工位旋压机,节材 75%,重量为传统装备的25%,价格为传统装备的 25%,工效提高了 4 倍。图为新型旋压机在生产作业 黄瑞鹏摄

  轮毂是汽车轮胎内廓轮钢通过立柱连接的轮芯旋转部分,起着轴承、转向、驱动、制动等作用,是汽车的重要部件之一。

  今年7月,总投资逾10亿元的路威轮毂生产线,在江西抚州试运行。作为“四维制造”项目示范工程,这条数字化连续化自动化的锻造铝轮毂生产线年研发攻关的德玛“四维制造”项目成果进入产业化阶段。

  “四维制造”是在传统立体化叠加式的“三维制造”基础上,运用关于力对冲与平衡原理,引入全新的力学考量维度,形成的“四维制造”工作法。

  德玛公司总工程师和项目首席科学家李文龙说,“四维制造”技术以高端装备、工业母机转型迭代为研究方向,以汽车业节能减排和轻量化为精准切入目标,摆脱传统思维与路径依赖,实现了基础理论和技术方法的突破。

  当前,“四维制造”研发团队已完成基础理论论证、拓扑数据评估、首台套设备生产、场景化仿真流水线组合等研发目标,先后在中国、美国、日本、欧盟等15个国家和地区,获得125项国内外专利,包括58项发明专利。

  “四维制造”项目的投资方,是宁波精益微型轴有限公司(以下简称“精益公司”)。这家以生产出口微型轴而出名的企业,数十年来累计生产微型轴100多亿只(套),出口美欧日等30多个国家和地区,其投资研发的蓝光智能节能窗,以超前理念,填补了多项国内外空白。

  研发高端专用装备,适应汽车轻量化发展的新趋势。2010年,精益公司董事长董祥义在美国考察发现,汽车轻量化浪潮正在欧美日等发达国家和地区兴起推广,其中轮胎内廓的金属部件轮毂,出现锻铝轮毂替代钢质、铸铝轮毂的趋势,而中国才刚刚起步。回国后,董祥义与公司管理层、技术经营团队调研论证,于2015年初成立宁波德玛智能机械有限公司,专注项目的科研攻关与装备研发。

  在考察国内多家汽车轮毂厂商后,德玛团队发现这一些企业的装备技术与制造工艺比较传统,产品能耗高、生产流程零散、成本风险大,难以适应未来规模化产业化的应用推广。为此,德玛提出,借鉴精益微型轴、蓝光节能窗的经验,以研发高端专用装备为先期突破口,走出独特的智造转变发展方式与经济转型之路。

  创新提出“四维制造”工作法,助力智造转变发展方式与经济转型。德玛公司副总经理黄进说,锻造合金铝轮毂需要高效大功率的专用锻压机,在拆卸解剖原有装备零部件时发现,万吨锻压机线只螺帽上,依靠螺杆螺帽拧紧的力量,抵挡加工压力,而且锻压机自身还得承受锻造冲击的反弹力。

  在研究改进装备结构时,董祥义提出取消四根立柱,运用力对冲与平衡理论,将锻压机设计为2个或4个工位的设想。当时团队犯了难——关于引进牛顿力学维度的设想,在理论上能站得住脚吗?

  德玛团队请来专家教授、高级工程师论证发现,在机床装备、工业母机研发领域,引入力对冲与平衡原理具有科学依据,从技术条件、实施路径来讲,我国现有装备技术条件及数字化制造能力也足以支撑。经多方商讨,最后将这一设想命名为“四维制造”工作法,在高端专业装备及锻铝轮毂生产线方面展开攻关。

  从变革装备、技术、工艺等着手,“四维制造”创新改造锻压机等传统装备,有效实现节能减排、绿色制造。锻造合金铝轮毂需要高效大功率专用锻压机,李文龙将高达16米、重1000吨的立式锻压机翻转着地,变成高仅2米、平躺卧式锻压机,实现锻压机四脚均衡受力,提高平稳性系数。

  与此同时,团队将锻压机造型设计,改为线条流畅、外形好看的橄榄形,巧妙安装两个对称工位,成倍提高作业效率。“传统设备为长方形或正方形,应力薄弱环节较多,设备设计显得笨重粗壮。现在我们对锻压机采用椭圆形或橄榄形,让机器整体均匀受力,可大幅度减少材料损耗与能量消耗。”李文龙说。

  双工位平躺卧式锻压机的工作量,相当于两台传统锻压机工效。原机总重量达2000吨,而采用“四维制造”技术的新型锻压机,整个机身连同加固钢圈总重量120吨,相当于原机重量的6%,抗住压力的强度提高了5倍。设备组合部件,从原来的200多个减为30多个,制造组装更为便捷。

  德玛团队曾邀请专业技术人员,评估“四维制造”技术的综合功能与工效。以锻铝轮毂生产线为例,“四维制造”技术的系列装备,均采用对称一体化结构与模块化生产,力与力矩对消近100%,可降低振幅75%,减少能耗80%,提高刚性度4倍、精度4个几何级,生产效率提高10倍,性能、节能、环保等综合效益可提升10倍。

  按传统技术工艺,匹配流水线锻压机的加工能力,需配置4台单工位旋压机,费用大、工效低。“我们采用‘四维制造’技术,成功研制平衡对称的4工位新型旋压机,可节材75%,价格相当于原设备的25%,工效提高了4倍。”黄进说。

  新设备运行初期效果未能达到目标。研发人员请来中国宝武高级技师王军与多位专家论证发现,新设备结构设计没问题,但工艺导向存在瑕疵、电机扭矩力不足。多位专家将原来主轴动力不足的普通电机更换为大功率电机,并在各工位安装伺服电机驱动器,有效解决旋压机的工效难题。

  技术研发离不开产学研的大协作。近年来,德玛整合各方资源,打造跨业界、学界的产学研共同体,涵盖浙江大学、复旦大学、上海交大、西安交大、北京科技大学、天津大学等高校,中国一汽、中国一重、鞍钢、宝武集团宝钢股份、精达装备、中国机械工程学会、中国机械智能装备协会、中国智慧产业研究院等制造业头部企业,以及行业权威机构的工程技术人员、研究人员。

  汽车轮毂成品定型,由铣削环节完成。传统铣削机床大多为单臂悬伸式结构,臂长50至100厘米,轮毂尺寸越大,悬伸臂越长,重心点越容易倾斜,为了设备稳定,自重需要达到一吨或两三吨以上。德玛首席技术官陈镇说,单悬臂重心倾斜系基础性设备结构造成的,加工稳定性差导致主轴转速无法提升,加上铣削进刀深度有限,产品表面精度只能达到7级,相当于半成品,后续还要打磨处理。

  基于“四维制造”技术,德玛团队将铣削机床从原来单臂悬伸式结构,改为双臂骑跨式设计,加工臂向机位两端延伸。陈镇说,这样一来,两边铣削刀同时旋转,主轴中心就落在中间点,加工产生的震动应力对冲抵消,有效保证设备正常运行的稳定性,还非常大程度上减轻自重分量。

  新技术的应用,带来了很明显的成效。铣削机床的主轴箱原有1吨重,现减为200公斤,节材率达80%;主轴转速原来最高为每分钟7000转,现增加到17000转;铣削深度从原来的2毫米增加到8毫米,表面精度超过磨床,甚至研磨加工工艺达到11级。

  如今,下线后的锻铝汽车轮毂无需打磨,可直接喷涂成为成品。经权威机构测算,采用“四维制造”技术的多刀头铣削复合型加工中心,工效比传统技术设备提高十余倍,产品质量、性能更为出色。

  优化装备体系和仿真生产线的同时,德玛团队还将注意力投入到生产流程中的每道工序、每个工装器具等环节,提升技术上的含金量与增值效益。

  一次技术分析会上,有人提出,轮毂毛坯重量为25至30公斤,铣削加工夹具却重达200公斤,机器人需要两次翻夹倒腾,操作工效低。董祥义提出,轮毂中间原来就有孔洞,可当作工装夹具的依托,成为改进工装器具的新思路。

  一个小小的工装器具改造,不仅提升了工作效率,还节约了成本。研发人员采用内撑式夹具固定轮毂,新夹具仅20公斤重,重量减轻了90%。内撑式夹具可以一次成型完成4只轮毂的车铣加工,全程只需一分钟,平均每只加工时间15秒,而此前需要耗时4分钟只能生产一只。新方案让轮毂铣削工效提高32倍,每台设备每年可节省电费300万元。

  宁波市经信局企业培育与合作处处长朱立富表示,我们积极扶持支持企业技改,去年帮助“四维制造”项目申请获得了省级先进装备首台套优惠政策,现又在帮助德玛技术团队申报全国或国际先进装备首台套政策。

  “力平衡、多工位柔性铣削工艺,效率高、精度高、成本低,符合低碳经济、绿色制造与可持续发展的产业导向,广受用户欢迎好评。”宁波市智能制造专家委员会主任陈炳荣说,先进制造业首先应重视各类高端装备、工业母机的基础研究,把机床设备的设计制造与技术工艺,做精做细做到极致,夯实制造业基石。

  国内外第一条采用“四维制造”技术,拥有完全自主知识产权,全自动连续化锻铝轮毂生产线 万只。图为全封闭绿色智能加工中心组列(2023 年 11 月摄) 黄瑞鹏摄

  先进制造业所依赖的高端机床,被称为工业母机“国之重器”。中国是全球工业母机第一大生产国、进口国和消费国,但以往中国高端专用数控机床、关键零部件长期依赖进口。

  在北京科技大学冶金与生态学院教授苍大强看来,航天航空、远洋船舶、核工业、汽车、高铁、军工、矿山及隧道盾构机等,都需要大型或超大型高精度智能化机械,目前还有不少依靠进口装备与技术,亟待创新理论,开发全新的装备技术。

  多位业内专家觉得,德玛“四维制造”技术的基础理论与核心技术,可大范围的应用于高端装备“工业母机”及先进制造业领域,尤其对高精尖专用设备、高端机床行业具有引领作用。

  一方面,创新突破基础理论,为机械装备设计制造注入“源头活水”。苍大强认为,德玛“四维制造”的基础理论创新在于其运用作用力与反作用力、偶数倍增原理,打破机械装备设计制造的传统认知,为高端装备、工业母机的提升迭代和绿色转型,提供新思路新途径。

  有数据显示,德玛卧式锻压机节材94%,工效提升5倍;铣削一体化机床节材80%,设备刚性提高了4倍,铣削精度提高4倍,而综合能耗降低了50%,有的装备甚至下降了80%。第三方机构评估显示,德玛锻铝轮毂示范生产线的节材节能、绿色环保、性能质量等综合效益,比传统技术装备提高了10倍。

  另一方面,推动技术的创新应用,为先进装备研发和制造提供重要的技术支撑。中国锻压协会专家阎善武说,德玛“四维制造”技术可应用于车、削、铇、铣等各种高端数字控制机床,也适用于特种加工机床、专业化加工中心。可以说,它将创新技术应用于高端产品的生产领域并作出实践示范,既研发了先进装备,又制造出过硬产品。

  在德玛路威生产线上,加工中心的多轴心多工位、车铣削一体化的数控机床配有4个工位、8个刀塔,4个主轴还带16个副轴,运行稳定,无隙衔接。同时,表面加工精度超过磨床工艺,误差仅0.2微米,相当人类发丝的2%。

  浙江大学电气工程学院教授吕征宇说,德玛团队引入拓扑学,建立数据仿真模型,通过数字化计算预控,将机器人融入整个生产场景,可以对流水线上各个工艺流程、技术环节,进行时空一体化跟踪实时切换,体现人机一体化智能系统转型迭代的重要突破。

  在抚州路威轮毂制造有限公司,德玛路威轮毂生产线慢慢的开始试运行。这是国内外第一条拥有完全自主知识产权,首次实现原坯切割、低温锻压、旋压造型及车铣削一次成型、数字化自动化的锻铝轮毂专用生产线万只。

  “相比同等投资规模的企业,路威在场地面积和用工成本上都具有非常明显优势。”抚州路威轮毂制造有限公司总经理桑建国说,这条生产线万平方米,是同行企业的十分之一,年亩均税收可达1000万元。在用工成本上,传统装备需800至1000名操作工,路威只需40至50名管理人员。

  未来,德玛团队将以新技术新设备助力各地产业园区、产业集群的提升转型。黄进说,我们将通过技术合作、投资共建、设备租赁等方式,运用市场化方式建设“四维制造”技术小镇,为中小微企业在模具设计、产品研制、成品出厂等环节,提供高效率、超高的性价比的一站式技术服务。