一條輪轂生產(chǎn)線背后的“四維制造”密碼

由浙江省寧波市重點(diǎn)扶持支持，對標(biāo)高端裝備制造前沿領(lǐng)域的德瑪“四維制造”項(xiàng)目，歷經(jīng)8年研發(fā)攻關(guān)，獲得突破性進(jìn)展。近日，德瑪公司總工程師和項(xiàng)目首席科學(xué)家李文龍博士宣稱，運(yùn)用“四維制造”理論與技術(shù)，其研發(fā)團(tuán)隊(duì)先后完成了基礎(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系列研發(fā)目標(biāo)，并先后在中國、美國、日本、歐盟等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)獲得125項(xiàng)國內(nèi)外專利，包括58項(xiàng)發(fā)明專利。

這是國內(nèi)外第一條采用“四維制造”技術(shù)，擁有全部自主知識產(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。

不久前，作為“四維制造”項(xiàng)目示范工程，總投資逾10億元的路威輪轂生產(chǎn)線在江西撫州試運(yùn)行。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)志著德瑪“四維制造”項(xiàng)目成果進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。

傳統(tǒng)萬噸級鍛壓機(jī)機(jī)身有5層樓高，重達(dá)2000噸，采用“四維制造”技術(shù)的雙工位臥式橄欖型鍛壓機(jī)，高2米，總重量僅120噸，相當(dāng)于原機(jī)總量6%。圖為新型鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)展示。

“增減”之間見“真功”——該生產(chǎn)線采用對稱一體化結(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)保等綜合效益提升10倍。與同樣投資、同等規(guī)模傳統(tǒng)企業(yè)相比，用地廠房面積降至1/10。傳統(tǒng)裝備需800至1000名操作工，路威僅需40至50名管理人員。

創(chuàng)新突破 “四維制造”帶來技術(shù)革新

“‘四維制造’技術(shù)，以高端裝備、工業(yè)母機(jī)轉(zhuǎn)型迭代為研究方向，以汽車業(yè)節(jié)減化輕量化‘綠色駕駛’為精準(zhǔn)切入目標(biāo)，擺脫傳統(tǒng)固有思維與路徑依賴，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法的突破。”李文龍說。

“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(yùn)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”新體系新工作法?！八木S制造”項(xiàng)目的投資方，是以生產(chǎn)出口微型軸聞名的寧波精益微型軸有限公司，該公司數(shù)十年來累計(jì)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)。

2010年間，公司董事長董祥義在美國考察時(shí)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，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(duì)調(diào)研論證，于2015年初成立寧波德瑪智能機(jī)械有限公司，開展該項(xiàng)目的科研攻關(guān)與裝備研發(fā)。

在深入考察國內(nèi)多家汽車輪轂廠商后，德瑪團(tuán)隊(duì)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)流程分離、成本風(fēng)險(xiǎn)大，難以適應(yīng)未來產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用推廣。為此，德瑪提出，以研發(fā)高端專用裝備為先期突破口，走自己獨(dú)特的轉(zhuǎn)型升級之路。

鍛造合金鋁輪轂需要高效大功率專用鍛壓機(jī)?！拔覀儼言醒b備全部拆卸下來，對一個個零部件進(jìn)行詳盡剖析發(fā)現(xiàn)，看起來龐然大物的萬噸鍛壓機(jī)，真正的受力點(diǎn)就在立柱內(nèi)的4根螺桿、8只螺帽，依靠螺桿螺帽擰緊的力量，抵擋加工壓力，而且鍛壓機(jī)自身還得承受鍛造沖擊的反彈力?！钡卢敼靖笨偨?jīng)理黃進(jìn)說。

在研究改進(jìn)裝備結(jié)構(gòu)時(shí)，董祥義提出取消四根立柱，運(yùn)用力對沖與平衡理論，將鍛壓機(jī)設(shè)計(jì)為2個或4個工位的設(shè)想。德瑪團(tuán)隊(duì)請來專家教授、高級工程師論證發(fā)現(xiàn)，在機(jī)床裝備、工業(yè)母機(jī)研發(fā)領(lǐng)域，引入力對沖與平衡原理具有科學(xué)依據(jù)，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)。

采用“四維制造”技術(shù)的車銑削一體化數(shù)控機(jī)床，配有4工位、5主軸，設(shè)備節(jié)材80%、剛性提高4倍，綜合能耗降低50%，加工精度提高了4個幾何級。圖為新型數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)展示。

“四維制造”創(chuàng)新改造鍛壓機(jī)等傳統(tǒng)裝備，將原來高達(dá)16米、重1000噸的立式鍛壓機(jī)翻轉(zhuǎn)著地，變成高僅2米的平躺臥式鍛壓機(jī)，實(shí)現(xiàn)鍛壓機(jī)重心下沉，四腳均衡受力，大大提升平穩(wěn)性系數(shù)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)還將鍛壓機(jī)造型設(shè)計(jì)從原來的長方形，改為線條、外形流暢美觀的橄欖型，巧妙安裝兩個對稱工位，成倍提高工作效率。

按傳統(tǒng)技術(shù)工藝，匹配流水線鍛壓機(jī)的加工能力，需配置4臺單工位旋壓機(jī)，費(fèi)用高、功效低?！拔覀儾捎谩木S制造’技術(shù)，成功研制平衡對稱的4工位新型旋壓機(jī)，可節(jié)材75%，重量為傳統(tǒng)裝備的25%，價(jià)格為傳統(tǒng)裝備的25%，功效可提高4倍。”黃進(jìn)說。

基于“四維制造”的技術(shù)與設(shè)計(jì)理念，德瑪團(tuán)隊(duì)還將銑削機(jī)床從原來單臂懸伸式結(jié)構(gòu)，改為雙臂騎跨式設(shè)計(jì)，加工臂向機(jī)位兩端延伸。德瑪技術(shù)總監(jiān)陳鎮(zhèn)說，這樣作業(yè)時(shí)兩邊銑削刀同時(shí)旋轉(zhuǎn)，主軸中心落在中間點(diǎn)，加工產(chǎn)生的震動應(yīng)力對沖抵消，有效保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，大大減輕自重分量。

新技術(shù)的應(yīng)用立竿見影。銑削機(jī)床的主軸箱原來有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毫米猛增到8毫米，表面精度超過磨床，甚至研磨加工工藝達(dá)到11度。

智造賦能 產(chǎn)業(yè)升級高端化綠色化

生產(chǎn)車間采用自動化封閉式運(yùn)行，沉重粗長的鋁棒，被機(jī)械手輕輕抓起，精準(zhǔn)放在切割臺上，切割成一段段短樹樁模樣，經(jīng)高溫處理和鍛壓機(jī)碾壓成扁圓狀，接著多工位旋壓機(jī)開始運(yùn)行擠壓，毛坯很快初顯模樣，隨后進(jìn)入全封閉銑削一體化加工中心，送到流水線終端時(shí)，一個個锃亮炫目，圓潤精美的輪轂掛在成品架上……今年7月，投資10余億元的德瑪路威輪轂生產(chǎn)線開始試運(yùn)行，這條凝聚著參與者無數(shù)心血的尖端科技“驚艷”亮相。

“四維制造”的鍛鋁輪轂雙工位多功能加工中心，通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工藝流程無隙銜接。

“與傳統(tǒng)輪轂企業(yè)比較，‘四維制造’擁有全方位的技術(shù)優(yōu)勢。”路威輪轂總經(jīng)理桑建國說，撫州生產(chǎn)線總投入10億元左右，年產(chǎn)鍛鋁輪轂150萬只?！叭敉瑯油顿Y、同等規(guī)模的傳統(tǒng)同行企業(yè)，需200畝地、10萬平方米廠房，我們僅需20畝地、1萬平方米廠房，相差10倍。傳統(tǒng)裝備需800至1000名操作工，我們僅需40至50名管理人員?！?/p>

“這條生產(chǎn)線上的每一臺設(shè)備、每一道工序、每一條流程，包括每一個細(xì)微環(huán)節(jié)，我們團(tuán)隊(duì)都精心琢磨反復(fù)論證，力求盡善盡美?！秉S進(jìn)說。

在一次技術(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(jī)器人還得兩次翻夾，操作麻煩功效又低。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，于是研發(fā)人員轉(zhuǎn)換工藝流程，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%，可一次成型完成4只輪轂的車銑加工，全程僅需1分鐘。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(fèi)300萬元。

“我們還建立了原料選擇、流程優(yōu)化、數(shù)據(jù)監(jiān)控、首檢把關(guān)等嚴(yán)格完整的質(zhì)量控制體系?！甭吠嗇灱夹g(shù)部長李政委說，每批次原材料入庫，都要對其品相組織、化學(xué)合成、變形性能等材質(zhì)參數(shù)，做超聲波探傷與相關(guān)成分檢測，從源頭上保證產(chǎn)品質(zhì)量。

作為業(yè)內(nèi)小有名氣的輪轂專家，桑建國20年前即進(jìn)入輪轂行業(yè)，長期鉆研汽車輪轂制造，親身經(jīng)歷了汽車輪轂行業(yè)從鋼質(zhì)、鑄鋁到鍛鋁制造的快速迭代。

桑建國說，傳統(tǒng)輪轂制造工藝由于銑削加工精度未能達(dá)到要求，需要增加機(jī)械或人工拋光打磨工序，在加工過程中產(chǎn)生大量鋁粉塵，嚴(yán)重威脅工人健康。此外，鋁灰嚴(yán)重污染環(huán)境，鋁灰撒過之處“寸草不生”，后續(xù)治理十分困難。這樣的生產(chǎn)工藝還存在嚴(yán)重的安全隱患，粉塵在空氣中積累到一定程度，稍有不慎就會引發(fā)粉塵爆炸。采用“四維制造”的加工工藝，使輪轂表面光潔度呈現(xiàn)鏡面拋光效果，可以直接噴涂料，解決了輪轂打磨的安全隱患。

北京科技大學(xué)教授蒼大強(qiáng)認(rèn)為，德瑪“四維制造”技術(shù)及鍛鋁輪轂自動化生產(chǎn)線，具有國際前沿水準(zhǔn)，其綠色節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)工藝，不但適應(yīng)汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)減型低碳化、輕量化的發(fā)展方向，也符合國家高端制造業(yè)發(fā)展規(guī)劃與政策導(dǎo)向。當(dāng)下，我國加速推進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，德瑪“四維制造”技術(shù)與鍛鋁輪轂生產(chǎn)線的問世，豎起了示范標(biāo)桿。

中國寶武高級技師王軍評價(jià)稱，采用“四維制造”技術(shù)的鍛鋁輪轂裝備與產(chǎn)品，其效率、性能、質(zhì)量還有上升空間。但其鍛鋁輪轂連續(xù)制造技術(shù)，從傳統(tǒng)點(diǎn)狀離散式制造流程工藝，改造變革成為自動化連續(xù)化一條龍作業(yè)，這是了不起的創(chuàng)新之舉。

引領(lǐng)未來 打造國際競爭核心能力

“墻內(nèi)開花墻外香”。國外廠商早早看到了“四維制造”這項(xiàng)創(chuàng)新的重大價(jià)值。2019年間，德瑪研發(fā)推出幾臺樣機(jī)，將其放到國際工業(yè)設(shè)備展會上“投石問路”，不少廠商表現(xiàn)出濃厚興趣。

德國某家全球知名機(jī)械設(shè)備制造商帶隊(duì)負(fù)責(zé)人當(dāng)即表示：“這個產(chǎn)品非常棒，如果愿意貼上我們公司的品牌，我可以幫助貴方賣到全世界?！钡卢敼ぷ魅藛T回應(yīng)：“等研發(fā)成功后，我們要打自己的獨(dú)家品牌?！?/p>

黃進(jìn)表示，話雖這樣說，但絕不敢輕視德國的研發(fā)能力，在歐盟申請專利保護(hù)后，又特意向德國申報(bào)國際專利，“雙重保險(xiǎn)”來保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)。

路威鍛鋁輪轂新生產(chǎn)線投產(chǎn)后，歐洲有位資深輪轂制造專家獲此消息，專程趕到撫州路威生產(chǎn)現(xiàn)場，表達(dá)交流探討的意愿。桑建國陪同外賓在流水線外面的走廊上轉(zhuǎn)了一圈，這位專家感慨道：“這些年我跑了幾十個國家，這樣設(shè)計(jì)超前、技術(shù)先進(jìn)的鍛鋁輪轂生產(chǎn)線，是第一次看到，這是中國式‘黑客制造’，相信路威產(chǎn)品在國際市場上一定會大受歡迎。”

路威新生產(chǎn)線試運(yùn)行不久，韓國汽車工業(yè)委員會負(fù)責(zé)人也慕名趕來撫州，看到路威鍛鋁產(chǎn)品比傳統(tǒng)鑄鋁輪轂竟然一下減輕40%的分量，直言這項(xiàng)技術(shù)突破把汽車輕量化提前了20年。

“汽車業(yè)作為高度全球化行業(yè)，若與國際化企業(yè)、跨國大公司深度合作，加入全球‘航母艦隊(duì)’，有利于企業(yè)穩(wěn)定發(fā)展，提升抗風(fēng)浪能力，而國外大客商也在中國積極尋找有技術(shù)優(yōu)勢的匹配企業(yè)。”德瑪公司市場總監(jiān)王紅晶說。

日本澳德巴克斯，是豐田旗下最大的全球汽車零部件采購商，早在2018年初，獲悉德瑪團(tuán)隊(duì)在研發(fā)新一代鍛鋁輪轂，就趕來寧波總部考察，很快雙方簽署了為期三年的合作協(xié)議，對方擬每年向路威采購3000萬只鍛鋁輪轂，總值300億元人民幣。后因疫情打亂了計(jì)劃，但澳德巴克斯始終關(guān)注著“四維制造”的研發(fā)進(jìn)度。隨著路威鍛鋁輪轂生產(chǎn)線即告完工，澳德巴克斯專家趕去撫州現(xiàn)場考察，今年3月與德瑪路威又一次簽訂為期三年的新合作協(xié)議。

“目前輪轂產(chǎn)品銷售，我們采取的是雙軌制，以C端推B端?！鄙＝▏f，首先面對的是替換市場，公司正在擬訂“以舊換新”計(jì)劃，即大量回收汽車存量市場的舊鑄鋁輪轂，以優(yōu)惠價(jià)更換為新鍛鋁輪轂，該方案很受合作商贊同；其次是外貿(mào)出口，國外用戶嗅覺靈敏，路威輪轂的質(zhì)量、價(jià)格優(yōu)勢明顯，需求量非常大。

“這條生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)能力，為年產(chǎn)量150萬只，可24小時(shí)無間斷連續(xù)作業(yè)，生產(chǎn)效率為傳統(tǒng)技術(shù)裝備10倍。但目前訂單太多，生產(chǎn)能力不足，我們正全力以赴安裝建設(shè)第二、第三及第四條生產(chǎn)線，智能化水平、技術(shù)功能也更加完善強(qiáng)大。屆時(shí)，僅撫州一個工廠，年產(chǎn)鍛鋁輪轂即可達(dá)700萬只?！鄙＝▏钢吷险谶\(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)線說。（記者 班娟娟 寧波報(bào)道）

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責(zé)編：吳蔚

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