李曉紅 徐可 付迎春

（1 中國兵器工業(yè)集團第二一○研究所，北京，100089）

（2 北京北機機電工業(yè)有限責(zé)任公司，北京，103109）

高端制造裝備是軍工制造的核心載體，是武器裝備性能實現(xiàn)的重要手段，是提升國防科技工業(yè)總體水平的重要基礎(chǔ)，是維護國家安全的重要保障。金屬零件先進成形裝備作為軍工制造業(yè)中最基礎(chǔ)、應(yīng)用最為廣泛的制造裝備之一，是軍工高端制造裝備中的重要組成部分，對于保障武器裝備復(fù)雜構(gòu)件整體化、輕量化、長壽命、高可靠、低成本發(fā)揮重要作用。近兩年，美歐等軍事強國圍繞新一代武器裝備發(fā)展需求，在精密鑄造、旋壓成形、精密鍛造等領(lǐng)域推出多款超大型新設(shè)備，引領(lǐng)相關(guān)制造裝備發(fā)展的最高水平。

圖1 謝菲爾德大學(xué)先進制造中心鑄造分部最新鑄造生產(chǎn)線

1 難熔金屬熔模鑄造生產(chǎn)線

熔模鑄造技術(shù)既可生產(chǎn)小型零件也可生產(chǎn)大型零件，與快速成形技術(shù)結(jié)合大大縮短鑄造周期，且相應(yīng)設(shè)備自動化程度越來越高，使得熔模鑄造在諸多鑄造工藝中脫穎而出，成為國外軍工領(lǐng)域應(yīng)用較多的一種鑄造技術(shù)。熔模鑄造包括制模、制殼、熔化澆注、清理等主要工序，當前各個工序國外都已經(jīng)開發(fā)出相應(yīng)的自動化

為滿足英國航空航天領(lǐng)域?qū)Υ笮外伜辖痂T件的高效低成本制造需求，謝菲爾德大學(xué)先進制造中心鑄造分部于2017年3月建成一條歐洲最大的鈦合金熔模鑄造生產(chǎn)線（如圖1所示），澆注能力可達1000kg，鑄件重量可達500kg、尺寸可達直徑2m、長度2.5m，能夠滿足當前最大的航空發(fā)動機機匣制造需求。該鑄造生產(chǎn)線中有幾臺關(guān)鍵設(shè)備：①英國Vatech公司設(shè)計開發(fā)的名為MegaShell的制殼設(shè)施，空間尺寸達27×18×14m，總重量可達2.5T，是全球最大的自動化制殼系統(tǒng)，并配有一臺發(fā)那科機器人；②美國Retech公司開發(fā)的真空電弧重熔爐，包含三個可互換坩堝，分別可熔化重量為250kg、500kg、1000kg的金屬，生產(chǎn)鑄件的最小重量為60kg，制造500kg的鑄件需要熔化1000kg的金屬，是全球少數(shù)幾臺可近凈成形大尺寸航空航天零部件的設(shè)備之一；③其他輔助設(shè)備：立體光刻3D打印機，可以使用光敏環(huán)氧樹脂制作模樣（pattern），尺寸可達650×750×550mm；定制化CMS Poseidon五軸數(shù)控機床，可制作單件尺寸高達2.6×4.0×2.0m的聚苯乙烯模樣。該生產(chǎn)線既是歐洲最大的熔模鑄造生產(chǎn)線，也代表了熔模鑄造的全球最高發(fā)展水平，世界上還有其他四家公司（三家在美國，一家在比利時）擁有同等級別的鑄造能力。

圖2 美國水星鑄造公司的壓鑄生產(chǎn)線

美國鋁業(yè)公司是全球最大的鋁合金熔模鑄件供應(yīng)商之一，其在薄壁、復(fù)雜澆注流道、復(fù)雜鑄件外形及內(nèi)部特征、大型鑄件等方面均具有獨特優(yōu)勢，為“阿帕奇”直升機、F-35 Ⅱ、戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈、軍用悍馬車輛等武器裝備以及波音787、達索航空獵鷹900EX等民用飛機生產(chǎn)了鋁合金熔模鑄件，對于這些裝備減輕重量、提高可靠性等方面發(fā)揮了重要作用。2015年，美國鋁業(yè)公司歷時5年研發(fā)出新型等軸晶熔模鑄造技術(shù)，其核心是將陶瓷鑄型預(yù)熱到低于金屬凝固點的一個溫度值，當鑄型注滿時金屬固化速度可以得到控制?；谠摷夹g(shù)的成功突破，美國鋁業(yè)公司投資2500萬美元，在其位于弗吉尼亞州漢普頓市的電力和推進設(shè)備工廠建立一條新的等軸晶熔模鑄造生產(chǎn)線，旨在實現(xiàn)等軸晶熔模鑄造技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用。采用該生產(chǎn)線主要用于生產(chǎn)鎳基高溫合金噴氣發(fā)動機葉片，重量較原有工藝減輕20%、并能顯著提高空氣動力學(xué)性能，這些發(fā)動機葉片可用于現(xiàn)役發(fā)動機改造或新一代飛機發(fā)動機研制。

2 鎖模力高達4500噸的壓力鑄造設(shè)備

壓力鑄造簡稱壓鑄，是將液態(tài)或半液態(tài)金屬在高壓作用下高速壓入金屬型中，在壓力下凝固而獲得鑄件的方法。高壓和高速是壓力鑄造的主要特征，其特點是可獲得形狀復(fù)雜的薄壁鑄件，壓鑄件尺寸公差等級高，表面光潔，一般可不經(jīng)過機械加工直接使用。當前，壓鑄機在大型化、自動化、柔性化方面的發(fā)展非常迅速。其中：瑞士布勒集團、德國富來公司、日本宇部興業(yè)機械株式會社的壓鑄機發(fā)展最為快速，均有鎖模力超過3000T的壓鑄機。

2017年，瑞士布勒集團美國公司布勒普林斯（BuhlerPrinc e）為美國水星鑄造（Merc ury Castings）公司定制了一條4575CCA型高壓壓鑄系統(tǒng)，成為北美運行的最大高壓壓鑄系統(tǒng)（如圖2所示）。該系統(tǒng)約有兩層車庫高，帶有輔助工具模具及潤滑油等輔料的系統(tǒng)總重超過454T，金屬液澆注能力為90.72kg（200lb），鎖模力可達到4500T。系統(tǒng)導(dǎo)柱之間有1.905m（75英寸）的自由間距，用以根據(jù)需求調(diào)整鑄件尺寸。該系統(tǒng)是一條高度集成的自動化單元，主要包含如下特征：①有三臺ABB機器人系統(tǒng)單元，主要進行澆注、模具噴涂和取件。負責(zé)澆注的機器人從熔爐中舀出金屬液后幾分之一秒內(nèi)就可將其倒入模具中；模具噴涂機器人負責(zé)在澆注之前對模具噴灑潤滑劑；負責(zé)取件的機器人有效長度超過4.27m（14ft），提升力達181.11kg（400lb）。②帶有高壓熱水（溫度可達149℃）和高壓噴射冷卻（流量達500PSI），有超過100條水道用以保持壓鑄工裝模具在操作時處于熱平衡。③包含澆注自動溢出檢測，以防止損壞工具。④采用Datanet集成控制系統(tǒng)，對壓鑄過程進行精確控制；⑤帶有二維條形碼的集成零件標記，可在整個生命周期內(nèi)實現(xiàn)零件可追溯性。⑥包含一個集成的排放捕捉系統(tǒng)從壓鑄過程中吸收蒸汽，過濾排放物后，引入新鮮空氣到車間，保證壓鑄車間的潔凈環(huán)境。采用該系統(tǒng)為水星海事公司制造的4.6L V-8四沖程弦外發(fā)動機缸體鑄件在2018年北美壓鑄協(xié)會舉行的壓鑄比賽中獲得大獎。

圖3 采用MJC旋壓設(shè)備（左）制造波音777X和737MAX引擎外殼的前緣蒙皮（右）

圖4 美國MJC公司F1300.3000.4型四旋輪數(shù)控旋壓機外觀

3 超大型金屬旋壓成形設(shè)備

金屬旋壓成形技術(shù)是通過旋轉(zhuǎn)使工件受力點由點到線，再由線到面，同時在某個方向施加一定的壓力，使金屬材料沿著這一方向變形和流動，從而成形加工出某一形狀零件的技術(shù)。旋壓設(shè)備是伴隨著旋壓技術(shù)的成熟而逐漸發(fā)展起來的一種成形加工設(shè)備。旋壓技術(shù)的水平高低主要反映在旋壓成形設(shè)備上。在旋壓工藝和設(shè)備的研究發(fā)展方面，美國、德國處于領(lǐng)先地位，旋壓成套設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)控化、專業(yè)化、系列化，在飛機、導(dǎo)彈、火箭彈以及大型航天固體發(fā)動機殼體等零件制造中獲得廣泛應(yīng)用。

美國MJC工程技術(shù)公司是世界發(fā)展和制造數(shù)控金屬旋壓設(shè)備的領(lǐng)導(dǎo)者，是美國最大的旋壓設(shè)備研發(fā)制造公司，推出多個系列的極具市場競爭力的數(shù)控旋壓設(shè)備，如SP系列、SPT系列、OSC系列等，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)為美國海軍造船廠、霍尼韋爾、GKN航空等軍工生產(chǎn)企業(yè)所使用。2016年，該公司為GKN航空公司定制的SPC-270-150型數(shù)控旋壓機開始投入運行，用于生產(chǎn)波音777X和737MAX引擎外殼的前緣蒙皮，該蒙皮為不圓零件（不圓度為216～229mm），如圖3所示。該設(shè)備可生產(chǎn)直徑最高達6.858m、厚度為15.9mm的鋁合金坯料，旋壓成形零件可為不圓零件，并且保證嚴格的公差要求，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：采用西門子Sinumeric 840D sl數(shù)控系統(tǒng)、機器人加熱系統(tǒng)、MJC公司專有的伺服泵控制的GreenPower液壓動力單元、熱成像攝像機。機器人加熱系統(tǒng)與旋壓成形過程通過西門子數(shù)控系統(tǒng)進行控制，熱成像機對成形質(zhì)量進行實時檢測，采用GreenPower液壓動力單元可節(jié)能40%以上（與傳統(tǒng)液壓泵電機相比）。GKN公司已經(jīng)驗證采用該設(shè)備可以顯著縮短制造周期、降低工具成本，同時可提高零件質(zhì)量一致性。

美國MJC工程技術(shù)公司還開發(fā)出全新一代的四旋輪數(shù)控旋壓設(shè)備，代表了旋壓成形技術(shù)的最高水平。筒形件強力旋壓成形在零件重量優(yōu)化、減少加工步驟、控制壁厚精度等方面具有很大潛力。新一代四旋輪數(shù)控旋壓設(shè)備的特點包括：①四個旋輪的壓力對稱均衡；②帶有線性軸承的超長滑塊；③使用雙螺絲桿驅(qū)動水平滑塊/Z軸；徑向滑塊用液壓驅(qū)動/X軸；④高強度的徑向滑板/X軸；⑤模具快速更換；⑥快速故障診斷；⑦采用西門子Sinumerik控制系統(tǒng)；⑧采用MJC公司獨有的工藝編程軟件。圖4為該公司目前最為先進的四旋輪數(shù)控旋壓機，可旋壓工件直徑200～1300mm，長度3000～6000mm。

圖5 旋壓成形的“獵戶座”飛船乘員艙前進壓力艙樣件

Spincraft公司是當前美國唯一一家致力于航天領(lǐng)域旋壓技術(shù)的公司，擁有強大的旋壓技術(shù)能力，其大型旋壓成形設(shè)備采用數(shù)控系統(tǒng)控制，可以保持旋壓件的尺寸精度，最大可成形板材的直徑可達5.309m、厚度可達127mm。美國NASA與Spinc raft公司展開合作，采用旋壓成形裝備制造了“獵戶座”飛船乘員艙前壓力艙艙壁（FPVBH）樣件（如圖5所示）、“太空發(fā)射系統(tǒng)”芯級燃料貯箱蓋以及J-2X發(fā)動機燃燒室襯套等諸多航天裝備用零部件。

萊菲爾德公司是德國甚至世界的旋壓設(shè)備老牌生產(chǎn)企業(yè)，實力非常強勁，擁有多個系列的高質(zhì)量全自動數(shù)控旋壓設(shè)備，如AFPM系列、EN系列、FFC系列、SC系列、ST系列等。其中，該公司開發(fā)的ST系列重型數(shù)控旋壓機采用三旋輪設(shè)計，具有如下特點：①可以減少能源和材料成本；②減少工藝步驟；③可以提高旋壓零件性能；④快速工具更換；⑤高生產(chǎn)率。該系列機床尤其適合成形大型回轉(zhuǎn)體、對稱、中空的等壁厚或變壁厚零件（包括筒形件、錐形件、壓花卡盤等形狀），適于加工的材料包括硬質(zhì)合金鋼、鋁合金等材質(zhì)，可用于航空、航天、車輛等領(lǐng)域燃料貯箱、傳動軸、管件、火箭殼體等零件的加工。其中，ST 650 H 9100-4RS型，具有可變的成形加工長度，正向旋壓成形長度可達9m、反向旋壓成形長度可達13m以上，其最大軸向行程達9100mm，可承載質(zhì)量達4t的工件，旋壓管件的直徑范圍為60mm～650mm。

4 5萬噸級以上重型閉模鍛造設(shè)備

大型整體模鍛件是彰顯國家綜合實力的重要標志之一，重型閉模鍛液壓機是生產(chǎn)航空大型整體模鍛件、發(fā)展大型軍民用飛機的基礎(chǔ)設(shè)備。相比開模鍛造和自由鍛造，閉模鍛造所獲得鍛件幾何形狀更復(fù)雜、尺寸精度更高、表面質(zhì)量更好、力學(xué)性能更優(yōu)異，最大限度接近于成品件。目前，除中國2013年建成投產(chǎn)8萬噸模鍛液壓機外，世界上擁有5萬噸級以上閉模鍛液壓機的國家還有美、俄、法3國。

圖6 美國韋伯金屬公司6萬噸超重型鍛壓機

美國韋伯金屬公司是德國奧脫福奇公司的全資子公司，是全球頂尖的航天航空鍛件生產(chǎn)企業(yè)，于2018年10月在位于洛杉磯東南部的新工廠內(nèi)展示了一臺全新的、投資額為1.8億美元的6萬噸鍛壓設(shè)備（如圖6所示），由西馬克（SMS）集團梅爾（Meer）公司制造。此設(shè)備是由私營機構(gòu)投資建造的全球最大下沉式鍛壓設(shè)備，用于成形超大型鋁合金、鈦合金鍛件。該設(shè)備近10層樓高，只有近三分之一位于地面以上，可以進行冷鍛與熱鍛，其最大沖壓行程為2m，最大沖壓速度為16mm/s，所用模具尺寸可達6m×3m，工作行程2m，所生產(chǎn)的鑄件重量可達386T。該設(shè)備還配套兩臺加熱爐：一臺是直徑為10.06m（33ft）的環(huán)形加熱爐，用于預(yù)熱鈦合金坯料；一臺是傳送帶式爐，用于鋁合金坯料。韋伯金屬公司將使用該設(shè)備首先生產(chǎn)波音737MAX飛機的主起落架梁鍛件。新設(shè)備將為包括空車、波音公司在內(nèi)的航空航天客戶對更大、更復(fù)雜的整體鈦合金、鋁合金鍛件的需求和期望，在降低零部件重量和復(fù)雜性的同時，還有助于飛機和航空航天公司改善其環(huán)保工作，將為未來飛機、航天器等航空航天領(lǐng)域超大型鍛件制造奠定基礎(chǔ)。

美國鋁業(yè)公司于2012年對5萬噸閉模鍛壓設(shè)備進行現(xiàn)代化改造，采用最新的液壓和電子控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了重型閉模鍛壓成套設(shè)備及其配套設(shè)施的完整性和系統(tǒng)性，另外還解決了超大型鋁合金鍛件閉模鍛造的工藝控制和模具設(shè)計制造等諸多技術(shù)難題，包括材料塑性變形、應(yīng)力消除、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和模具材料制造等，可以鍛造鋁合金、鈦合金、鎳合金、高強鋼等多種材料，為閉模鍛造在航空、航天、兵器、核電等超大尺寸整體結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2014年，美國鋁業(yè)公司采用該設(shè)備閉模鍛造出兩件世界上最大的戰(zhàn)車整鍛鋁合金車體底部（簡稱“車底”）樣件，尺寸為6.1×2.1m（如圖7所示），也是全球首次實現(xiàn)戰(zhàn)車車底的整體鍛造成形，整體鍛造車體的抗彈性能是傳統(tǒng)焊接鋁合金車底的2倍，整體鍛造車體未來有望取代目前使用的焊接車體，顯著提升大型戰(zhàn)車的生存能力、促進輕量化，對戰(zhàn)車研制產(chǎn)生深刻影響。F-35A機身的5個、F-35B機身的6個和F-35C機身的4個精密復(fù)雜整體鋁制隔框，以及A380后翼梁模鍛件都使用美國鋁業(yè)公司5萬噸鍛壓機制造。此外，美國精密鑄件公司下屬Wyman-Gordon業(yè)務(wù)部也有一臺5萬噸閉模鍛壓機，主要用于F/A-18、F-15、C-17、V-22、H-60、F-22等軍用飛機以及 A320、A330、A340、A350、737、777、787等名用飛機中大型整體承力件的制造。

俄羅斯VSMPO-AVISMA公司是一家大型的航空鈦制造公司，擁有7.5萬噸、3萬噸、2萬噸、4000噸、2000噸等多個型號的鍛壓設(shè)備，主要為俄羅斯本土以及歐洲、美國航空制造商生產(chǎn)不同形狀和應(yīng)用的鍛件。該公司擁有的1臺7.5萬噸閉模鍛壓設(shè)備，可自動控制鍛造速度和鍛造壓力來確保鍛件質(zhì)量，主要為俄羅斯、歐洲、美國航空制造商生產(chǎn)超大型鍛件，如波音787、空客A380等型號飛機的鈦合金主起落架梁都采用該設(shè)備制造。此外，該公司已經(jīng)掌握了波音777、空客A380用Ti-10V-2Fe-3Al轉(zhuǎn)向架梁鍛造技術(shù)，最大鍛件重量可達3240kg（7142lb），最大外形尺寸為4.2m（165.35in）。

圖7 美國鋁業(yè)公司5萬噸鍛壓機（左）制造的整體鍛造鋁合金車體樣件（右）

法國奧柏杜瓦（Aubert &Duval）特鋼公司是世界頂級合金生產(chǎn)商埃赫曼（Eramet）冶金礦業(yè)集團的子公司之一，是設(shè)計、開發(fā)并商業(yè)化高性能鋼、高溫合金、鋁或鈦零件的全球領(lǐng)導(dǎo)者。該公司擁有2.2萬噸、4萬噸、6.5萬噸等多個級別的閉模鍛壓設(shè)備。其中6.5萬噸設(shè)備重量約為埃菲爾鐵塔的2倍，由烏克蘭新克拉馬托重型機器廠制造，用于生產(chǎn)鈦合金模鍛件和航空鋁合金模鍛件。

5 萬噸級等溫鍛造設(shè)備

等溫鍛造技術(shù)是指模具與坯料處于大致相同的恒定溫度下，以較低變形速率進行鍛造的方法，其優(yōu)點是材料變形抗力較低，以較低噸位的設(shè)備即可生產(chǎn)較大尺寸的精密鍛件，組織性能均勻，近無余量等；缺點是模具及加熱裝置成本較高，生產(chǎn)效率較低，主要用于質(zhì)量要求高、難成形材料和貴重材料的成形，如鈦合金、粉末高溫合金、陶瓷、金屬間化合物及金屬基復(fù)合材料等，被認為是制造未來新一代飛機發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)。

美國第三代F100和F110系列推比7-8渦扇發(fā)動機以及第四代F119系列推比10一級渦扇發(fā)動機的風(fēng)扇葉片、壓氣機葉盤和渦輪盤都是采用等溫鍛造設(shè)備生產(chǎn)的。美國ATI公司、精密鑄件公司、美國鋁業(yè)公司等都擁有強大的等溫鍛造能力。其中，美國ATI公司在2011年收購拉迪斯鍛造公司后成為等溫鍛造能力最強的公司，包括1臺4500噸、1臺1萬噸、1臺1.25萬噸的真空等溫鍛造設(shè)備。其中1.25萬噸設(shè)備是目前全球范圍內(nèi)噸位最大的等溫鍛造設(shè)備，設(shè)備總量超1200T，采用下沉式結(jié)構(gòu)設(shè)計（地面以上部分為 10.06m（33ft），地面以下部分為8.23m（27ft）），采用四個重量超45.36T(100,000lb)的拉桿作為支撐結(jié)構(gòu)，該設(shè)備配備了先進的液壓和電氣控制裝置，液壓機的最大輸入功率不超過275馬力，鍛造速度可調(diào)，最大壓力可達12500T，并集成了真空室、多工位爐、零件后處理系統(tǒng)等。從2018年開始ATI公司投資9500萬美元在1.25萬噸設(shè)備基礎(chǔ)上開始研制第4代等溫鍛造設(shè)備，以滿足航空航天噴氣發(fā)動機市場不斷增長的需求。

6 結(jié)束語

美歐等軍事強國圍繞新一代武器裝備發(fā)展需求以及新工業(yè)革命發(fā)展浪潮，積極引入信息技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、智能化技術(shù)等新技術(shù)，推動先進成形裝備向噸位極端化、操控自動化智能化等方向發(fā)展，力求在該領(lǐng)域搶占戰(zhàn)略制高點，使其成為維護國家安全、推動制造業(yè)整體躍升和搶占競爭優(yōu)勢的重要手段。