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，标志着历经8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，标志着历经8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。
　　创新提出“四维制造”工作法
　　“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，走出独特的智造转型升级之路。
　　创新提出“四维制造”工作法，助力智造转型升级。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，万吨锻压机真正受力点在立柱内的4根螺杆、8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、外形美观的橄榄形，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%，抗压强度提高了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人士，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。
　　把机床设备做精做细
　　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，新设备结构设计没有问题，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。德玛技术总监陈镇说，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，有效保证设备运行的稳定性，还大大减轻自重分量。
　　新技术的应用，带来了显著成效。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，提升技术含量与增值效益。
　　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，可以作为工装夹具的依托，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，年产汽车轮毂150万只。图为全封闭绿色智能加工中心组列（2023年11月摄）黄瑞鹏 摄

　　推动“国之重器”创新迭代
　　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。
　　多位业内专家认为，德玛“四维制造”技术的基础理论与核心技术，可广泛应用于高端装备“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、铣等各种高端数控机床，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。
　　当前，智能化精准化轻量化，已经成为数控机床行业的大趋势。
　　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，体现智能制造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已经开始试运行。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，单件产品生产时间为15秒，年产汽车轮毂150万只。
　　“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显著优势。”抚州路威轮毂制造有限公司总经理桑建国说，这条生产线占地20亩，厂房面积1万平方米，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、产品研发、成品出厂等环节，提供高效率、高性价比的一站式技术服务。
　　（《瞭望》2023年第47期）