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协同创新 研发多向模锻技术

协同创新 研发多向模锻技术

文/张旭栋·FM记者

多向模锻是在多向模锻液压机上进行分模模锻的一种锻造技术,与普通模锻及分模模锻相比,它具有以下特点:(1)能使结构形状复杂锻件成形,显著提高材料利用率和减少机械加工工时;(2)有助于提高零件的力学性能;(3)模具结构简单,使用寿命长,制造成本低,使用维护方便,模具冷却与润滑效果好。

由于多向模锻具有以上特点,因此被广泛用于航空、汽车拖拉机制造、原子能工业等行业中,其中有关中空架体、活塞、轴类、筒形件、大型阀体、管接头、飞机起落架、发动机机匣、盘轴组合件等锻件,已开始采用多向模锻的工艺进行生产。

2021年之前我国并没有专门的工程中心研究多向模锻技术。在2021年2月,上海电机学院经上海市科委批准成立了上海多向模锻工程技术研究中心填补了国内这一空白。近期,《锻造与冲压》记者有幸采访了上海电机学院机械学院(以下简称“学院”)教授、中国锻压协会多向模锻技术专业委员会干事长辛绍杰先生,听他给我们讲一讲他与多向模锻技术的不解之缘。

结缘锻造

辛教授与锻造行业的缘分,要从学院2011年承担上海重型机器厂有限公司的大型锻件加工设备—核电封头锻造专用工作转台开发项目开始,他参与了项目实施全过程,对应用该设备进行大型锻件的锻造有了深刻认识,也见证了学院承担的上海重型机器厂有限公司委托的关于锻压设备、辅具和典型锻件制造的企业重大专项课题以及学校与上重等企业共同承担的国家重大专项的实施过程。

自2017年负责机械工程学科以来,辛教授便在学院前期研究的基础上将多向模锻技术作为学科和个人的研究方向,结合企业需求,形成了多套模具设计方案,获得多项发明专利,组织了多向模锻机的设计工作,也组织了多向模锻实验室建设和团队建设工作,如上海市高原学科-机械工程经过2018-2020的建设,通过了验收,2021年成功获批成立上海多向模锻工程技术研究中心(以下简称“研究中心”)。

扎根学院

辛教授自2006年来到学院,便扎根于此,至今已15个年头。学院是一所面向先进制造业及现代服务业,以工学为主,经济学、管理学、文学、艺术学、理学等学科协调发展的普通高等院校。学院成立于1953年,初时校名为上海电器制造学校。学院于2013年获批的 “上海市大型铸锻件制造技术协同创新中心”为上海市协同创新中心;“大件热制造工程技术研究中心”和“多向模锻工程技术研究中心”获批上海市工程技术研究中心;“上海装备制造产业发展研究中心”被列入上海高校人文社会科学重点研究基地。学校在长三角地区建有8个技术转移分中心,推进产学研合作向纵深发展。

机械学院

机械学院创建于1953年,前身为上海电器制造学校机械制造科。机械学院与企业合作的“大型先进压水堆核电核岛主设备超大型锻件研制及工程应用”项目获得上海市科技进步奖一等奖;“开放式数控软硬件系统的关键技术研究与应用”、“超超临界发电装备材料关键技术研发及应用”等项目获得上海市科技进步二等奖;还有多项成果获行业学会科技进步二等奖及上海市科技进步三等奖等。

研究中心

研究中心是上海市科委批准成立的市级工程技术研究中心。研究中心的总体目标是:以关键技术创新为目标,以上海市多向模锻战略性新兴产业重大共性与关键技术的工程化问题为导向,建立公共研发和成果转化服务平台,解决多向模锻压机设计、成形工艺、模具制造、智能产线等的基础理论、工程实现和规模化推广应用等关键共性问题。实现产品和技术研发、对外开放服务、科技成果转移转化、培养和聚集高层次工程技术人才、示范应用、国内外科技合作与交流等,形成企业和行业标准,实现多种产品定型,促进并引领行业技术进步,为上海市“五个中心”和具有全球影响力的科技创新中心的建设提供多向模锻先进成形方法的创新成果、研究团队和服务平台支撑。

主要研究方向包括:(1)多向模锻成形理论与应用技术研究;(2)多向模锻压力机与智能化控制技术的研究;(3)模具设计制造与模具表面改性技术研究。

中心的主要任务是:(1)创建国内领先的多向模锻工程技术研究中心;(2)开展应用技术的研发和产业化推广;(3)开展相应的公共服务,承担重大研发任务。

多向模锻技术专业委员会(以下简称“专委会”)

学院于2021年5月31日向中国锻压协会递交了“申请成立中国锻压协会多向模锻技术专业委员会的函”,2021年7月16日结束的中国锻压协会第八届第六次常务理事会会议通过了成立申请。专委会设主任委员一名,副主任委员单位八家,执行委员单位十二家。

专委会将开展如下工作:(1)做好行业调查与研究;组织成员单位参加经济技术交流、人才培训、国内外考察调研;举办多向模锻技术研讨会,促进技术交流。(2)发展多向模锻成员单位,建立成员单位数据库,及时掌握多向模锻成形工艺、技术装备、生产能力及经营管理现状,开展行业咨询服务。(3)协助企业贯彻国家标准,组织有关标准、规范的研究与学习,制定并推广适合我国行业发展现状的行规与行约。(4)承担政府部门和行业单位委托的项目,参与行业开发、改造、技术成果鉴定以及新工艺、新技术、新材料的推广应用工作。(5)促进产学研合作创新,组织专家组会同成员单位,解决多向模锻共性技术,攻克关键技术,突破企业发展的技术“瓶颈”,致力于成员单位综合实力的提升,促进民族品牌的发展壮大。

仰取俯拾

“学院拥有高水平多向模锻技术研究团队,参与了关于锻件国家标准的制定,联合出版了国内首部多向模锻技术专著,开展了多向模锻技术的理论研究和应用技术研究,并取得了多项研究成果。”辛教授向我们介绍学院多向模锻技术团队在锻造科研方面取得的成果时说到。

6.5MN多向模锻挤压液压机

多向模锻技术团队在研究的基础上,设计建造了6.5MN多向模锻挤压液压机,该压机的本体采用整体板框结构,多向模锻的合模采用4缸对称分布,主穿孔缸位于4合模缸的中心,全部为缸底支撑;两水平缸为拉杆缸底支撑,除此之外,为实现一机多用的目的,主穿孔缸活塞设计制造为空心活塞,当作为挤压液压机时,活塞孔即为挤压产品的出料孔,下横梁设有多向模锻的顶出缸,此缸还是挤压时的芯棒驱动缸。6.5MN多向模锻液压机设计制造有移动工作台,方便模具的装卸,为保证移动工作台复位准确,采用双向方锥键定位。

10.0MN 多向模锻液压机

多向模锻技术团队还设计制造了一台10.0MN多向模锻液压机,该压机本体采用4柱预紧结构,合模采用4缸方式,主穿孔缸位于4合模缸的中心。动梁滑块八面导向,为减小偏载载荷状况下立柱的变形,提高滑块的运动精度,采用了滑块加强立柱的结构。主穿孔缸与水平缸均采用复合缸,使得压机结构紧凑,除此之外,由于凸模分为可以相对运动的两部分,可有效地改变坯料充填模腔的顺序,减小坯料在充填模腔过程中的反流,这不仅节省能量、减少模腔的磨损,还可防止锻件表面折叠或内部撕裂。对于阀体、缸体锻件也能有效地减小壁厚的偏差。

无法兰三通阀体的多向模锻

多向模锻技术团队开发了火电机组应用的一种无法兰三通阀体多向模锻工艺,它的三个通道出口都没有法兰,采用焊接的方法与外部管道连接。无法兰三通阀体的另一形状特点是,主通道内径远大于两侧通道,且主通道深,它的技术难点是两侧分料均匀,主通道穿孔偏差小和较高的主穿孔凸模寿命。

带侧法兰三通阀体的多向模锻

多向模锻技术团队还开发了带侧法兰三通阀体多向模锻工艺,该阀体多用于石油化工行业,它的技术难度较无法兰三通阀体大,主要集中在两侧法兰的成形与测通道的穿孔。带侧法兰三通阀体的多向模锻,通常它是由主模腔挤压坯料向两侧模腔流动分料,由于两侧臂部模腔较细长,坯料流动阻力大且不等,导致两侧分料不均,造成后面法兰成形不佳,其次是,端部坯料降温大,再加上坯料端部形状差,更加影响法兰的最后形状与尺寸。

带主法兰三通阀体的多向模锻

多向模锻技术团队开发了带主法兰三通阀体多向模锻工艺,其名字源于它的主通道端部带有法兰,由于法兰与侧通道之间,有一小圆柱段,当分模面垂直于主轴线时,锻件不能脱模,因此,采用现有多向模锻液压机进行锻造时,必须采用垂直分模方式,并增加辅助合模装置。

全法兰三通阀体的多向模锻

全法兰三通阀体,它的每个通道端部都设有法兰,其名也得于此,是几何形状最复杂的阀体。这是多向模锻技术团队的又一项成果,由于几何形状复杂,它的成形过程也相应更为复杂,它兼具前面三种阀体的锻造成形的技术难点,首先它需要采用垂直分模的锻造方式,其次是法兰成形与坯料的分料同时进行,再次是坯料的分料流动量大。

大型曲拐锻造

大型组合曲轴是船舶制造不可缺少的部件,曲拐是大型组合曲轴制造不可缺少的零件,多向模锻技术团队通过试验研究,掌握了曲拐锻造的工艺,成功锻造了1:5和1:1的锻件。

采用拉深技术制造的第二代核电水室封头1:5样件

异形封头拉深

异形封头是制造容器不可缺少的零件,多向模锻技术团队通过试验研发异形封头拉深成形的技术。

护环制造技术

护环是火电机组的重要部件,多向模锻技术团队通过试验研发了60万千瓦的制造技术。

未来可期

谈到研究中心未来几年的发展计划时,辛教授这样回答到:“成立上海多向模锻工程技术研究中心,发挥上海在全国多向模锻技术应用研究领域的引领作用,通过协同创新攻克相关“卡脖子”和前瞻性技术,使多向模锻成为推动锻造行业转型升级、提高企业创新力的新动力。同时,多向模锻技术符合我国特别是上海临港新片区低碳、先进制造的发展需求,具有重大的经济和社会意义。

“研究中心将在2022年年底达到以下目标:(1)加强多向模锻相关理论和关键共性技术的基础科学研究,系统地构建装备设计、成形工艺、数值模拟、模具制造等基础理论体系和应用技术体系。尤其是解决多向模锻压机关键共性技术、新能源传动系统VL型球笼多向模锻成形技术和研究开发预应力组合式硬质合金材质的高精度、高强度、高寿命成形模具,解决模具表面涂层,精密抛光等关键制造技术,提高产品精度和模具的使用寿命。(2)组建多向模锻装备研发和成形技术转化平台,为行业提供多向模锻工程化试验与验证的环境及相关技术咨询和人员培训服务。(3)初步实现多向模锻技术成果的工程化或中试转化。持续不断地将具有广泛市场需求或亟需国产替代的有关产品进行系统化、配套化和工程化地研究开发,为企业规模化生产提供成熟配套的先进技术、工艺及其技术产品或装备,并不断地推出具有高增值效益的系列新产品,推动相关产业的高质量快速发展。实行开放服务,通过市场机制搭建技术研发与产业创新之间的桥梁和平台。

“到2025年年底,研究中心达到目标:(1)开展引进国外先进技术的消化吸收再创新,开展人员培训,同时结合国内外智力引进工作,在工程技术研究开发方面全方位地开展国内与国际合作与交流。集聚和培养高水平的工程技术研究人才和管理人才。为行业发展、创新创业提供重要基础设施和条件保障等服务,促进创新驱动发展。(2)建立完善的装备设计、理论分析、成形工艺、模具制造和数值模拟验证体系,使研究中心在多向模锻装备制造、成形技术和平台服务方面处于国内领先水平,个别领域处于国际前沿。(3)以“市场导向,多元参与,优化布局、协同联动”为指导,瞄准国内外多向模锻研究和开发中亟待解决的关键工程化实现问题,以关键技术创新为目标,开展研发和中试,实现产品定型。(4)针对上海市重点发展的船舶、汽车、能源装备等战略性骨干产业,向产业提供信息共享、研发设计、联合攻关、测试验证、中试放大等特色鲜明的专业技术服务,实现规模化应用。”

辛绍杰

1986年毕业于大庆石油学院石油矿业机械专业;

1989年毕业于东北重型机械学院机械学专业,获工学硕士学位;

1989年后在大庆石油管理局职工大学、总机械厂从事教学和科研工作;

2002年获哈尔滨工业大学机械设计及理论工学博士学位;

2002年后在大庆高新技术创业服务中心从事科技管理工作;

2005年后在常州工学院从事教学和科研工作;

2006年11月开始在上海电机学院机械学院从事教学和科研工作,任机械学院教授,上海市高原学科-机械工程负责人,上海多向模锻工程技术研究中心执行主任,国家一流专业-机械设计制造及其自动化专业负责人。

 
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