专注电炉铸造10年
全国咨询热线:15028752820

“四维制造”赋能绿色智造转型

发布时间:2024-07-05 21:45:35 作者: 旧版米乐体育app下载

  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。 文 《瞭望》新闻周刊记者 于雪 陈燕(《瞭望》2023年第47期 )