瞭望丨“四維制造”賦能綠色智造轉(zhuǎn)型

　　◇今年7月，總投資逾10億元的路威輪轂生產(chǎn)線，在江西撫州試運行。這是國內(nèi)外首條數(shù)字化連續(xù)化自動化的鍛造鋁輪轂生產(chǎn)線，標(biāo)志著歷經(jīng)8年研發(fā)攻關(guān)的德瑪“四維制造”項目成果進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段
　　◇“四維制造”是在傳統(tǒng)立體化疊加式的“三維制造”基礎(chǔ)上，運用力對沖與平衡原理，引入全新的力學(xué)考量維度，形成的“四維制造”工作法
　　◇從變革裝備、技術(shù)、工藝等著手，“四維制造”創(chuàng)新改造鍛壓機等傳統(tǒng)裝備，有效實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色制造
　　◇以鍛鋁輪轂生產(chǎn)線為例，“四維制造”技術(shù)的系列裝備，均采用對稱一體化結(jié)構(gòu)與模塊化生產(chǎn)，力與力矩對消近100%，可降低振幅75%，減少能耗80%，提高剛性度4倍、精度4個幾何級，生產(chǎn)效率提高10倍，性能、節(jié)能、環(huán)保等綜合效益可提升10倍

運用“四維制造”技術(shù)研發(fā)的4個工位旋壓機，節(jié)材75%，重量為傳統(tǒng)裝備的25%，價格為傳統(tǒng)裝備的25%，工效提高了4倍。圖為新型旋壓機在生產(chǎn)作業(yè) 黃瑞鵬 攝

　　輪轂是汽車輪胎內(nèi)廓輪鋼通過立柱連接的輪芯旋轉(zhuǎn)部分，起著軸承、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動、制動等作用，是汽車的重要部件之一。
　　今年7月，總投資逾10億元的路威輪轂生產(chǎn)線，在江西撫州試運行。作為“四維制造”項目示范工程，這條數(shù)字化連續(xù)化自動化的鍛造鋁輪轂生產(chǎn)線，標(biāo)志著歷經(jīng)8年研發(fā)攻關(guān)的德瑪“四維制造”項目成果進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。
　　“四維制造”是在傳統(tǒng)立體化疊加式的“三維制造”基礎(chǔ)上，運用關(guān)于力對沖與平衡原理，引入全新的力學(xué)考量維度，形成的“四維制造”工作法。
　　德瑪公司總工程師和項目首席科學(xué)家李文龍說，“四維制造”技術(shù)以高端裝備、工業(yè)母機轉(zhuǎn)型迭代為研究方向，以汽車業(yè)節(jié)能減排和輕量化為精準(zhǔn)切入目標(biāo)，擺脫傳統(tǒng)思維與路徑依賴，實現(xiàn)了基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法的突破。
　　當(dāng)前，“四維制造”研發(fā)團(tuán)隊已完成基礎(chǔ)理論論證、拓?fù)鋽?shù)據(jù)評估、首臺套設(shè)備生產(chǎn)、場景化仿真流水線組合等研發(fā)目標(biāo)，先后在中國、美國、日本、歐盟等15個國家和地區(qū)，獲得125項國內(nèi)外專利，包括58項發(fā)明專利。
　　創(chuàng)新提出“四維制造”工作法
　　“四維制造”項目的投資方，是寧波精益微型軸有限公司（以下簡稱“精益公司”）。這家以生產(chǎn)出口微型軸而出名的企業(yè)，數(shù)十年來累計生產(chǎn)微型軸100多億只（套），出口美歐日等30多個國家和地區(qū)，其投資研發(fā)的藍(lán)光智能節(jié)能窗，以超前理念，填補了多項國內(nèi)外空白。
　　研發(fā)高端專用裝備，適應(yīng)汽車輕量化發(fā)展趨勢。2010年，精益公司董事長董祥義在美國考察發(fā)現(xiàn)，汽車輕量化浪潮正在歐美日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)興起推廣，其中輪胎內(nèi)廓的金屬部件輪轂，出現(xiàn)鍛鋁輪轂替代鋼質(zhì)、鑄鋁輪轂的趨勢，而中國才剛剛起步。回國后，董祥義與公司管理層、技術(shù)經(jīng)營團(tuán)隊調(diào)研論證，于2015年初成立寧波德瑪智能機械有限公司，專注項目的科研攻關(guān)與裝備研發(fā)。
　　在考察國內(nèi)多家汽車輪轂廠商后，德瑪團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)這些企業(yè)的裝備技術(shù)與制造工藝比較傳統(tǒng)，產(chǎn)品能耗高、生產(chǎn)流程零散、成本風(fēng)險大，難以適應(yīng)未來規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用推廣。為此，德瑪提出，借鑒精益微型軸、藍(lán)光節(jié)能窗的經(jīng)驗，以研發(fā)高端專用裝備為先期突破口，走出獨特的智造轉(zhuǎn)型升級之路。
　　創(chuàng)新提出“四維制造”工作法，助力智造轉(zhuǎn)型升級。德瑪公司副總經(jīng)理黃進(jìn)說，鍛造合金鋁輪轂需要高效大功率的專用鍛壓機，在拆卸解剖原有裝備零部件時發(fā)現(xiàn)，萬噸鍛壓機真正受力點在立柱內(nèi)的4根螺桿、8只螺帽上，依靠螺桿螺帽擰緊的力量，抵擋加工壓力，而且鍛壓機自身還得承受鍛造沖擊的反彈力。
　　在研究改進(jìn)裝備結(jié)構(gòu)時，董祥義提出取消四根立柱，運用力對沖與平衡理論，將鍛壓機設(shè)計為2個或4個工位的設(shè)想。當(dāng)時團(tuán)隊犯了難——關(guān)于引進(jìn)牛頓力學(xué)維度的設(shè)想，在理論上能站得住腳嗎？
　　德瑪團(tuán)隊請來專家教授、高級工程師論證發(fā)現(xiàn)，在機床裝備、工業(yè)母機研發(fā)領(lǐng)域，引入力對沖與平衡原理具有科學(xué)依據(jù)，從技術(shù)條件、實施路徑來講，我國現(xiàn)有裝備技術(shù)條件及數(shù)字化制造能力也足以支撐。經(jīng)多方商討，最后將這一設(shè)想命名為“四維制造”工作法，在高端專業(yè)裝備及鍛鋁輪轂生產(chǎn)線方面展開攻關(guān)。
　　從變革裝備、技術(shù)、工藝等著手，“四維制造”創(chuàng)新改造鍛壓機等傳統(tǒng)裝備，有效實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色制造。鍛造合金鋁輪轂需要高效大功率專用鍛壓機，李文龍將高達(dá)16米、重1000噸的立式鍛壓機翻轉(zhuǎn)著地，變成高僅2米、平躺臥式鍛壓機，實現(xiàn)鍛壓機四腳均衡受力，提高平穩(wěn)性系數(shù)。
　　與此同時，團(tuán)隊將鍛壓機造型設(shè)計，改為線條流暢、外形美觀的橄欖形，巧妙安裝兩個對稱工位，成倍提高作業(yè)效率。“傳統(tǒng)設(shè)備為長方形或正方形，應(yīng)力薄弱環(huán)節(jié)較多，設(shè)備設(shè)計顯得笨重粗壯。現(xiàn)在我們對鍛壓機采用橢圓形或橄欖形，讓機器整體均勻受力，可大幅減少材料損耗與能量消耗。”李文龍說。
　　雙工位平躺臥式鍛壓機的工作量，相當(dāng)于兩臺傳統(tǒng)鍛壓機工效。原機總重量達(dá)2000噸，而采用“四維制造”技術(shù)的新型鍛壓機，整個機身連同加固鋼圈總重量120噸，相當(dāng)于原機重量的6%，抗壓強度提高了5倍。設(shè)備組合部件，從原來的200多個減為30多個，制造組裝更為便捷。
　　德瑪團(tuán)隊曾邀請專業(yè)人士，評估“四維制造”技術(shù)的綜合功能與工效。以鍛鋁輪轂生產(chǎn)線為例，“四維制造”技術(shù)的系列裝備，均采用對稱一體化結(jié)構(gòu)與模塊化生產(chǎn)，力與力矩對消近100%，可降低振幅75%，減少能耗80%，提高剛性度4倍、精度4個幾何級，生產(chǎn)效率提高10倍，性能、節(jié)能、環(huán)保等綜合效益可提升10倍。
　　把機床設(shè)備做精做細(xì)
　　按傳統(tǒng)技術(shù)工藝，匹配流水線鍛壓機的加工能力，需配置4臺單工位旋壓機，費用大、工效低。“我們采用‘四維制造’技術(shù)，成功研制平衡對稱的4工位新型旋壓機，可節(jié)材75%，價格相當(dāng)于原設(shè)備的25%，工效提高了4倍。”黃進(jìn)說。
　　新設(shè)備運行初期效果未能達(dá)到目標(biāo)。研發(fā)人員請來中國寶武高級技師王軍與多位專家論證發(fā)現(xiàn)，新設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有問題，但工藝導(dǎo)向存在瑕疵、電機扭矩力不足。多位專家將原來主軸動力不足的普通電機更換為大功率電機，并在各工位安裝伺服電機驅(qū)動器，有效解決旋壓機的工效難題。
　　技術(shù)研發(fā)離不開產(chǎn)學(xué)研的大協(xié)作。近年來，德瑪整合各方資源，打造跨業(yè)界、學(xué)界的產(chǎn)學(xué)研共同體，涵蓋浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交大、西安交大、北京科技大學(xué)、天津大學(xué)等高校，中國一汽、中國一重、鞍鋼、寶武集團(tuán)寶鋼股份、精達(dá)裝備、中國機械工程學(xué)會、中國機械智能裝備協(xié)會、中國智慧產(chǎn)業(yè)研究院等制造業(yè)頭部企業(yè)，以及行業(yè)權(quán)威機構(gòu)的工程技術(shù)人員、研究人員。
　　汽車輪轂成品定型，由銑削環(huán)節(jié)完成。傳統(tǒng)銑削機床大多為單臂懸伸式結(jié)構(gòu)，臂長50至100厘米，輪轂尺寸越大，懸伸臂越長，重心點越容易傾斜，為了設(shè)備穩(wěn)定，自重需要達(dá)到一噸或兩三噸以上。德瑪技術(shù)總監(jiān)陳鎮(zhèn)說，單懸臂重心傾斜系基礎(chǔ)性設(shè)備結(jié)構(gòu)造成的，加工穩(wěn)定性差導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)速無法提升，加上銑削進(jìn)刀深度有限，產(chǎn)品表面精度只能達(dá)到7級，相當(dāng)于半成品，后續(xù)還要打磨處理。
　　基于“四維制造”技術(shù)，德瑪團(tuán)隊將銑削機床從原來單臂懸伸式結(jié)構(gòu)，改為雙臂騎跨式設(shè)計，加工臂向機位兩端延伸。陳鎮(zhèn)說，這樣一來，兩邊銑削刀同時旋轉(zhuǎn)，主軸中心就落在中間點，加工產(chǎn)生的震動應(yīng)力對沖抵消，有效保證設(shè)備運行的穩(wěn)定性，還大大減輕自重分量。
　　新技術(shù)的應(yīng)用，帶來了顯著成效。銑削機床的主軸箱原有1噸重，現(xiàn)減為200公斤，節(jié)材率達(dá)80%；主軸轉(zhuǎn)速原來最高為每分鐘7000轉(zhuǎn)，現(xiàn)增加到17000轉(zhuǎn)；銑削深度從原來的2毫米增加到8毫米，表面精度超過磨床，甚至研磨加工工藝達(dá)到11級。
　　如今，下線后的鍛鋁汽車輪轂無需打磨，可直接噴涂成為成品。經(jīng)權(quán)威機構(gòu)測算，采用“四維制造”技術(shù)的多刀頭銑削復(fù)合型加工中心，工效比傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)備提高十余倍，產(chǎn)品質(zhì)量、性能更為出色。
　　優(yōu)化裝備體系和仿真生產(chǎn)線的同時，德瑪團(tuán)隊還將注意力投入到生產(chǎn)流程中的每道工序、每個工裝器具等環(huán)節(jié)，提升技術(shù)含量與增值效益。
　　一次技術(shù)分析會上，有人提出，輪轂毛坯重量為25至30公斤，銑削加工夾具卻重達(dá)200公斤，機器人需要兩次翻夾倒騰，操作工效低。董祥義提出，輪轂中間原來就有孔洞，可以作為工裝夾具的依托，成為改進(jìn)工裝器具的新思路。
　　一個小小的工裝器具改造，不僅提升了工作效率，還節(jié)約了成本。研發(fā)人員采用內(nèi)撐式夾具固定輪轂，新夾具僅20公斤重，重量減輕了90%。內(nèi)撐式夾具可以一次成型完成4只輪轂的車銑加工，全程只需一分鐘，平均每只加工時間15秒，而此前需要耗時4分鐘只能生產(chǎn)一只。新方案讓輪轂銑削工效提高32倍，每臺設(shè)備每年可節(jié)省電費300萬元。
　　寧波市經(jīng)信局企業(yè)培育與合作處處長朱立富表示，我們積極扶持支持企業(yè)技改，去年幫助“四維制造”項目申請獲得了省級先進(jìn)裝備首臺套優(yōu)惠政策，現(xiàn)又在幫助德瑪技術(shù)團(tuán)隊申報全國或國際先進(jìn)裝備首臺套政策。
　　“力平衡、多工位柔性銑削工藝，效率高、精度高、成本低，符合低碳經(jīng)濟(jì)、綠色制造與可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向，廣受用戶歡迎好評。”寧波市智能制造專家委員會主任陳炳榮說，先進(jìn)制造業(yè)首先應(yīng)重視各類高端裝備、工業(yè)母機的基礎(chǔ)研究，把機床設(shè)備的設(shè)計制造與技術(shù)工藝，做精做細(xì)做到極致，夯實制造業(yè)基石。

國內(nèi)外第一條采用“四維制造”技術(shù)，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，全自動連續(xù)化鍛鋁輪轂生產(chǎn)線，年產(chǎn)汽車輪轂150萬只。圖為全封閉綠色智能加工中心組列（2023年11月攝）黃瑞鵬 攝

　　推動“國之重器”創(chuàng)新迭代
　　先進(jìn)制造業(yè)所依賴的高端機床，被稱為工業(yè)母機“國之重器”。中國是全球工業(yè)母機第一大生產(chǎn)國、進(jìn)口國和消費國，但以往中國高端專用數(shù)控機床、關(guān)鍵零部件長期依賴進(jìn)口。
　　在北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)學(xué)院教授蒼大強看來，航天航空、遠(yuǎn)洋船舶、核工業(yè)、汽車、高鐵、軍工、礦山及隧道盾構(gòu)機等，都需要大型或超大型高精度智能化機械，目前還有不少依靠進(jìn)口裝備與技術(shù)，亟待創(chuàng)新理論，開發(fā)全新的裝備技術(shù)。
　　多位業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，德瑪“四維制造”技術(shù)的基礎(chǔ)理論與核心技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于高端裝備“工業(yè)母機”及先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域，尤其對高精尖專用設(shè)備、高端機床行業(yè)具有引領(lǐng)作用。
　　一方面，創(chuàng)新突破基礎(chǔ)理論，為機械裝備設(shè)計制造注入“源頭活水”。蒼大強認(rèn)為，德瑪“四維制造”的基礎(chǔ)理論創(chuàng)新在于其運用作用力與反作用力、偶數(shù)倍增原理，打破機械裝備設(shè)計制造的傳統(tǒng)認(rèn)知，為高端裝備、工業(yè)母機的提升迭代和綠色轉(zhuǎn)型，提供新思路新途徑。
　　有數(shù)據(jù)顯示，德瑪臥式鍛壓機節(jié)材94%，工效提升5倍；銑削一體化機床節(jié)材80%，設(shè)備剛性提高了4倍，銑削精度提高4倍，而綜合能耗降低了50%，有的裝備甚至下降了80%。第三方機構(gòu)評估顯示，德瑪鍛鋁輪轂示范生產(chǎn)線的節(jié)材節(jié)能、綠色環(huán)保、性能質(zhì)量等綜合效益，比傳統(tǒng)技術(shù)裝備提高了10倍。
　　另一方面，推動技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，為先進(jìn)裝備研發(fā)和制造提供重要的技術(shù)支撐。中國鍛壓協(xié)會專家閻善武說，德瑪“四維制造”技術(shù)可應(yīng)用于車、削、铇、銑等各種高端數(shù)控機床，也適用于特種加工機床、專業(yè)化加工中心。可以說，它將創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用于高端產(chǎn)品的生產(chǎn)領(lǐng)域并作出實踐示范，既研發(fā)了先進(jìn)裝備，又制造出過硬產(chǎn)品。
　　當(dāng)前，智能化精準(zhǔn)化輕量化，已經(jīng)成為數(shù)控機床行業(yè)的大趨勢。
　　在德瑪路威生產(chǎn)線上，加工中心的多軸心多工位、車銑削一體化的數(shù)控機床配有4個工位、8個刀塔，4個主軸還帶16個副軸，運行穩(wěn)定，無隙銜接。同時，表面加工精度超過磨床工藝，誤差僅0.2微米，相當(dāng)人類發(fā)絲的2%。
　　浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院教授呂征宇說，德瑪團(tuán)隊引入拓?fù)鋵W(xué)，建立數(shù)據(jù)仿真模型，通過數(shù)字化計算預(yù)控，將機器人融入整個生產(chǎn)場景，可以對流水線上各個工藝流程、技術(shù)環(huán)節(jié)，進(jìn)行時空一體化跟蹤實時切換，體現(xiàn)智能制造轉(zhuǎn)型迭代的重要突破。
　　在撫州路威輪轂制造有限公司，德瑪路威輪轂生產(chǎn)線已經(jīng)開始試運行。這是國內(nèi)外第一條擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，首次實現(xiàn)原坯切割、低溫鍛壓、旋壓造型及車銑削一次成型、數(shù)字化自動化的鍛鋁輪轂專用生產(chǎn)線，單件產(chǎn)品生產(chǎn)時間為15秒，年產(chǎn)汽車輪轂150萬只。
　　“相比同等投資規(guī)模的企業(yè)，路威在場地面積和用工成本上都具有顯著優(yōu)勢。”撫州路威輪轂制造有限公司總經(jīng)理桑建國說，這條生產(chǎn)線占地20畝，廠房面積1萬平方米，是同行企業(yè)的十分之一，年畝均稅收可達(dá)1000萬元。在用工成本上，傳統(tǒng)裝備需800至1000名操作工，路威只需40至50名管理人員。
　　未來，德瑪團(tuán)隊將以新技術(shù)新設(shè)備助力各地產(chǎn)業(yè)園區(qū)、產(chǎn)業(yè)集群的提升轉(zhuǎn)型。黃進(jìn)說，我們將通過技術(shù)合作、投資共建、設(shè)備租賃等方式，運用市場化方式建設(shè)“四維制造”技術(shù)小鎮(zhèn)，為中小微企業(yè)在模具設(shè)計、產(chǎn)品研發(fā)、成品出廠等環(huán)節(jié)，提供高效率、高性價比的一站式技術(shù)服務(wù)。
　　（《瞭望》2023年第47期）