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      摘要: 介紹了輥鍛機的工作原理、結(jié)構(gòu)及性能特點，分析了輥鍛機與其它鍛壓設(shè)備相比所具有的突出優(yōu)越性。對輥鍛機在國內(nèi)的應用及研究發(fā)展現(xiàn)狀及其當前急需解決的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題及進行了闡述。對輥鍛機進一步的研究方向提出了幾點建議。
  
   
     “十二五”規(guī)劃《綱要》把節(jié)能減排作為我國技術(shù)裝備和服務水平的約束性指標后，鍛壓設(shè)備行業(yè)開始快速走上了節(jié)能環(huán)保道路。由于輥鍛工藝是連續(xù)局部塑性變形，變形力小，所需設(shè)備作用力小。與其他鍛壓設(shè)備相比，輥鍛機具有設(shè)備投資小、生產(chǎn)率高、對廠房和基礎(chǔ)要求低等優(yōu)點，并且易于實現(xiàn)機械化和自動化，因而輥鍛機已成為鍛壓行業(yè)中的首選設(shè)備。現(xiàn)階段，輥鍛機在汽車、拖拉機、飛機、動力機械、農(nóng)業(yè)機械、工具以及日用品制造等工業(yè)部門中均越來越受到重視，具有非常大的市場前景 。

    1 、輥鍛機的工作原理及結(jié)構(gòu)

    輥鍛機是一種鍛壓機械，它是利用一對相向旋轉(zhuǎn)的扇形模具使坯料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需鍛件或鍛坯的鍛造工藝，輥鍛原理如圖1 所示。由圖1 可以看出，在輥鍛變形過程中，坯料在高度方向經(jīng)輥鍛模壓縮后，除一小部分金屬橫向流動外，大部分金屬沿坯料的長度方向流動。因此，輥鍛變形的實質(zhì)是坯料在壓力下的延伸變形過程，適用于減小坯料截面的工序，如軸類件的拔長，板坯的碾片等。在工業(yè)應用中，輥鍛既可作為模鍛前的制坯工序，為長軸類鍛件提供鍛造用毛坯( 稱為制坯輥鍛) ; 亦可在輥鍛機上實現(xiàn)主要的鍛件成形過程或直接輥制出鍛件( 稱為成形輥鍛) 。輥鍛機按其結(jié)構(gòu)和用途可分為懸臂式( 工作部分懸伸在床身外部) 、雙支承式( 工作鍛輥用軸承支承在兩個直立的機架中) 、復合式( 懸臂式和雙支承式這兩部分的復合) 及專用輥鍛機( 專門為輥制某些特殊工藝要求的鍛件而設(shè)計的) 等四類 。目前應用最廣泛的是雙支承式輥鍛機，其主要組成部分為機架、輥鍛裝置、中間軸裝置、平衡裝置、機架移動裝置、離合器、制動器、電機裝置、飛輪制動器、終端開關(guān)裝置、氣動、潤滑、水冷裝置等，如圖2 所示。

                  ( a) 輥鍛開始階段( b) 輥鍛結(jié)束階段
                                圖1 輥鍛原理圖

     2 、輥鍛機的應用及研究現(xiàn)狀

    輥鍛機最早在國外得到廣泛應用，尤其是在重型機械行業(yè)非常發(fā)達的德國。早在20 世紀50年代，熱模鍛壓力機開始得到迅速發(fā)展。但由于熱模鍛壓力機不適合拔長、滾壓等制坯工序，在模鍛軸類鍛件時必須配備制坯輔助設(shè)備，因此促進了輥鍛機的應用和推廣。我國對輥鍛機的應用是在20 世紀70 年代開始的。當時為了滿足國內(nèi)對輥鍛機的需求，1978 年12 月，我國機械部重礦局通過中國機械進出口總公司從德國EUMUCO 公司引進了全套技術(shù)和標準，生產(chǎn)AＲWS 型系列自動輥鍛機，使得我國可以生產(chǎn)和世界水平同步的最先進的輥鍛機。到目前為止，國內(nèi)應用的主要還是這種類型的輥鍛機。國內(nèi)生產(chǎn)輥鍛機的廠家主要是中國二重和北京機電所兩家單位。北京機電所在提供設(shè)備的同時還可提供輥鍛工藝與模具技術(shù)。近幾十年，國內(nèi)外學者在輥鍛機方面也進行了大量研究。1992 年，李東平、崔力生、付沛福等介紹了輥鍛技術(shù)的特點與使用范圍，論述了當時農(nóng)機行業(yè)輥鍛技術(shù)的應用情況，并針對農(nóng)機行業(yè)中的鍛壓行業(yè)與國內(nèi)外的差距提出了在農(nóng)機行業(yè)擴大應用及發(fā)展輥鍛技術(shù)的建議 。2001年田碩、馬芝青、王圓等研究了新型閘瓦銷的輥鍛工藝，通過理論計算與試驗對比，分析了輥鍛機研制中兩個主要參數(shù)( 壓力、功率) 的確定原則，確定出了壓力及功率合理的選用值。2002 年濟南大學的王強、何芳與德國的Hermann Eratz 等以輥鍛模具為對象開發(fā)了三維CAD 專用軟件Vera-CAD。該軟件能夠自動生成輥鍛毛坯圖，優(yōu)化輥鍛工藝過程，反求原始毛坯及中間道次的坯料形狀及尺寸，最終生成模具三維型腔或電極NC 加工數(shù)據(jù)文件，繪制二維模具圖紙 。2004 年吉林大學的李世彬?qū)ψ詣虞佸憴C機械手進行了研究，分析了輥鍛機自動機械手關(guān)鍵部件的力學性能參數(shù)，分析了采用液壓控制系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)相結(jié)合的控制方式實現(xiàn)自動機械手的動作的特點及優(yōu)勢，并設(shè)計了自動輥鍛機機械手控制的人機交互界面［ 。2002 年華中科技大學的陳建全對汽車前軸精密成型輥鍛及模鍛工藝與模具進行了CAD 技術(shù)開發(fā)，在分析傳統(tǒng)計算毛坯設(shè)計不足的基礎(chǔ)上，論述了前軸CAD 系統(tǒng)獲取計算毛坯橫截面面積的原理，對比恒定步長算法，提出了一種變步長的算法 。2003 年，北京機電所的蔣鵬、羅守靖、胡福榮等研究了AＲWS 型自動輥鍛機與加熱爐、模鍛主機的連接方式［9］。2004 年華中科技大學的劉桂華與北京機電所的任廣升、徐春國等利用軟件Deform3D 建立了輥鍛變形過程的剛粘塑性有限元系統(tǒng)模型。對圓—橢圓—圓型槽系中的輥鍛變形過程進行了三維數(shù)值模擬，研究了輥鍛三維變形過程中材料的流動速度場、應力應變場的特征及其動態(tài)演化過程，討論了不同變形參數(shù)對應力應變的影響 。2005 年胡福榮、蔣鵬、余光中等CAD/CAM 技術(shù)應用在了前軸精密輥鍛模具設(shè)計制造中。采用先進設(shè)計手段、合理設(shè)計前軸精密輥鍛模具以達到優(yōu)化工藝、縮短調(diào)試時間的目的 。2006 年中北大學的于建民、張治民、李保成等用MSC /superform 軟件對葉片輥鍛工藝用對稱模型進行了數(shù)值模擬，分析了坯料輥鍛過程中金屬的流動情況、等效應變的分布和輥鍛力矩，優(yōu)化設(shè)計工藝參數(shù)，為葉片輥鍛制坯工藝的制定提供了依據(jù) 。2007 年吉林大學的宋玉泉、王明輝、宋家旺等研制出一種新型精成形輥鍛機。該新型輥鍛機通過在傳統(tǒng)輥鍛機的上鍛輥與下鍛輥之間增設(shè)凹模板，通過齒圈齒條結(jié)構(gòu)使其同步移動，使工件的軸向和橫向均受到凹模約束，改善了傳統(tǒng)輥鍛機不能精成形的難題 。2011 重慶大學的柳豪、周杰等研究了某型號重卡前軸成形輥鍛工藝數(shù)值模擬輔助設(shè)計及優(yōu)化問題，解決了美國某型號重卡前軸成形輥鍛工藝調(diào)試中鍛件在彈簧板與工字梁部位折疊、工字梁部位充不滿等缺陷 。到目前為止，國內(nèi)對于輥鍛機的研究基本都集中在改善當前輥鍛工藝及輥鍛機輔助設(shè)備的研制上，而針對輥鍛機本身的研究卻鮮有報道。由于實現(xiàn)高質(zhì)量輥鍛并非是一個單純的工藝問題，必須克服現(xiàn)有輥鍛機的缺點和不足，因此如何研制出能滿足精密成型的輥鍛機就顯得尤為重要。當前針對輥鍛設(shè)備本身的研發(fā)才剛剛起步，具有很大的研發(fā)潛力。

               1—保護罩2—大齒輪3—機架4—上齒輪5—左機架6—右機架7—離合器8—飛輪
                                                圖2 輥鍛機的主要結(jié)構(gòu)

      3 、輥鍛機的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展前景

   
     3． 1 重型化

     自改革開放以來，在我國工業(yè)增加值的構(gòu)成中，重工業(yè)的比例不斷上升，經(jīng)歷了一個“產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)重型化”的過程。2006 年以來，重工業(yè)產(chǎn)值在工業(yè)總產(chǎn)值中的比重再創(chuàng)新高，上升到70% 以上，至2008 年，這一比例更是上升到71． 33%［15］。以輥鍛機的主要應用領(lǐng)域汽車行業(yè)為例，從世界各國重型車發(fā)展歷史看，各國專用汽車、柴油機車、礦山機械等都已經(jīng)顯示出重型化、專業(yè)化的發(fā)展趨勢。各國汽車制造公司都將載貨汽車重型化、發(fā)動機大功率化以及高科技裝備化作為產(chǎn)品研制和開發(fā)的發(fā)展方向。重型車的發(fā)展已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)和國民經(jīng)濟快速增長的動力，直接推動國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向重型化升級。隨著重工業(yè)比例的提高，重型車需求量的迅猛增加，大幅度提升了市場對大型零件的需求。這將導致原有的鍛壓設(shè)備噸位不足，因而推動了對大型、重型鍛造設(shè)備的需求。由于輥鍛機的優(yōu)勢及其節(jié)能性的特點，對大型輥鍛機的需求量自然大幅增加?，F(xiàn)在市面上應用的輥鍛機最大的做到了1100 mm。遠遠滿足不了當前的需要，所以今后幾年，應加快對大型輥鍛機的研制，并盡快投入市場。

     3． 2 綠色鍛造

     為了應對越來越嚴峻的資源、環(huán)境壓力，鍛造工業(yè)提出了采用綠色鍛造的可持續(xù)發(fā)展模式。綠色制造作為一種綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造方式，其目標是使產(chǎn)品在設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產(chǎn)品生命周期中，對環(huán)境的影響( 負作用) 最小，資源效率最高，并使企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。鍛造作為傳統(tǒng)的熱加工行業(yè)，生產(chǎn)過程中能耗高、污染大、生產(chǎn)環(huán)境惡劣，因此迫切需要采用這種綠色制造模式，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代鍛造企業(yè)［16］。為順應綠色鍛造的社會發(fā)展要求，輥鍛機在設(shè)計及使用過程中要走綠色發(fā)展之道，要按照資源使用效率最高、環(huán)境影響最小的理念，遵循節(jié)能、環(huán)保、安全、高效的原則。

      3． 3 精密輥鍛技術(shù)

     隨著我國制造行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)逐步從附加值低的粗放型制造邁向附加值高、技術(shù)含量高的精密型制造，相應地對機械產(chǎn)品的質(zhì)量也提出了越來越高的要求。諸如一些軍工產(chǎn)品、航空航天產(chǎn)品、儀器儀表產(chǎn)品、汽車產(chǎn)品、微型機械產(chǎn)品，其精度要求已達到微米級、亞微米級，甚至納米級。這樣的精度要求決定了發(fā)展精密加工、超精密加工技術(shù) 。精密加工技術(shù)的發(fā)展也促進了機械、電子、光學、液壓、傳感器、測量技術(shù)及材料科學的發(fā)展，同時也提高了對整個鍛造行業(yè)包括輥鍛機的技術(shù)水平和加工精度的更高要求。另外，目前原材料成本在鍛造成本構(gòu)成中占到60%以上，我國輥鍛機的材料利用率在80% 左右，提高材料利用率，降低金屬損耗的潛力相當可觀。要想持續(xù)站穩(wěn)輥鍛機市場，勢必要提高輥鍛機產(chǎn)品的質(zhì)量，提高輥鍛精密成型的性能，大大提高材料的利用率，才能保持輥鍛機生產(chǎn)企業(yè)的競爭能力。

      3． 4 潤滑技術(shù)
 
      現(xiàn)有的輥鍛機相對運動部件較多，潤滑點特別多，但潤滑技術(shù)卻相對落后。例如關(guān)鍵的齒輪潤滑及滑動軸承潤滑均采用開式潤滑，不僅浪費潤滑油，影響美觀，污染環(huán)境，且由于輥鍛件是高溫作業(yè)，容易帶來安全隱患。因此輥鍛機的潤滑技術(shù)也急需改進。

      另外，國外一些有實力的大型鍛造公司現(xiàn)已大規(guī)模運用機器人來代替人工生產(chǎn)，效益及安全性顯著增加，而我國目前只有少數(shù)的鍛造公司運用機器人。一直以來以人工為主、勞作力密布的鍛造職業(yè)，機器人的使用將是大勢所趨。在10 年時間內(nèi)，我國將大步跨進工業(yè)機器人年代。因此，在輥鍛工藝設(shè)計中要充分考慮與機器人合理高效的連接，使輥鍛機跟上鍛壓行業(yè)高效自動化的時代。配備制作業(yè)作為我國的基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)，在將來我國經(jīng)濟前行中發(fā)揮著不可代替的作用。隨著全球經(jīng)濟一體化程度的深入，我國鍛件總產(chǎn)量不斷攀升，鍛造技術(shù)不斷前進。而我國鍛造要從大國邁向強國，完成綠色鍛造、低碳鍛造方針，以工業(yè)機器人為中心的智能化與主動化配備改造，無疑將為鍛造公司提高競爭力，體現(xiàn)先進制作優(yōu)勢，贏得市場商機供給更加有力的支持。
 

     4 、結(jié)語
 

     隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施步伐的加大，帶動了我國鍛壓工業(yè)的蓬勃發(fā)展。在當前國家大力推動節(jié)能減排的形勢下，貫徹節(jié)能、環(huán)保、安全、高效的“綠色鍛造”理念，對鍛造行業(yè)顯得尤為重要。打造綠色環(huán)保的鍛造行業(yè)已是現(xiàn)今業(yè)內(nèi)勢在必行的舉措。輥鍛機以其具有設(shè)備投資小、生產(chǎn)率高、對廠房和基礎(chǔ)要求低等優(yōu)點獲得迅速發(fā)展的契機。當前輥鍛機廠家應該抓住這個契機，順應時勢發(fā)展需要，在設(shè)計及使用過程中走綠色發(fā)展之道，積極創(chuàng)新研發(fā)出新的產(chǎn)品，大力推動綠色生產(chǎn)以及循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。