让“大块头” 干出“绣花活” ——中国重型院自主研发大型锻造操作机纪实
让“大块头” 干出“绣花活” ——中国重型院自主研发大型锻造操作机纪实
金秋时节，走进国机集团国机重装二重（德阳）重型装备制造有限公司（以下简称二重装备）铸锻公司锻造厂生产车间，一台巨大的自动化锻造操作机首先映入眼帘，随着这台像小山丘一样移动的设备开启，它用强壮有力的钳口夹持装置稳稳地抓着几百吨重的高温锻坯，灵活自如地进行着提升、送进、翻转动作。伴随着万吨压机锤头有节奏地上下起落，截面形状在滋滋声中不断发生着改变……“这就是3000kN/7500kNm锻造操作机，正在配合160MN水压机进行大型复杂锻件生产的场景。”二重装备铸锻公司党委书记、副总经理陈新倬通过视频连线向参观者边展示、边介绍。
这台大型锻造操作机是由国机集团国机重装中国重型机械研究院股份公司（以下简称中国重型院）于2013年成功研制的。它远超国外最大锻造操作机250吨的夹持能力，能够轻松夹持起300吨重的锻件，强大的“手劲”为新时代国产大型锻件制造业描绘精密化、绿色化、智能化发展画卷提供了可靠保障，极大地提高了我国大型锻件的生产能力。
翻开一段尘封的历史，了解不可忘却的奋斗历程。“十一五”期间，我国万吨级自由锻造压机自主研发装机能力已达到世界领先水平，而国内大型锻造操作机的核心技术却长期被外国公司所垄断。
由于进口设备价格昂贵、供货周期长，不足以满足国内大型锻件行业的发展需求，国内大型锻件制造企业不得不使用传统的翻钢机戴套筒操作。据陈新倬介绍，翻钢机操作方式原始笨拙、节奏缓慢、生产效率低下，锻造火次增加会造成能源浪费，而且易引起坯料定位精度低、毛坯表面上的质量差、锻件余量大、材料浪费严重等问题，存在内部质量隐患，更没办法保证难变形合金复杂锻件的锻造生产。没有大型锻造操作机，先进的锻造工艺无法落实，制约了大型高品质锻件的生产能力，也极度影响了当时我国大型装备制造业及相关行业的发展。
为了充分的发挥万吨级压机的锻造生产能力，尽快消除配套操作机能力脱节现象，让“大块头”干出“绣花活”，2010年“国家高档数字控制机床与基础制造装备科技重大专项”立项支持“3000kN/7500kNm大型锻造操作机”项目的开发研究，吹响了自主研发大型锻造操作机的集结号。
中国重型院依托金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，在国家科技重大专项、“863”计划及基金项目的支持下，积极发挥集中力量办大事的优势，联合5家单位组成“产学研用”创新团队，合力进行大型锻造操作机的科研攻关，奋力破解掣肘行业发展的“卡脖子”难题。
彼时，作为重型锻压装备领域的有名的公司，中国重型院从20世纪60年代开始做锻造操作机的研发，几十年来积累了丰富的锻造操作机研发设计及工程实践经验，是一家名副其实的拥有“金刚钻”的科研院所。然而，在研发这种长25米、宽10.9米、高8.6米、自重1160吨的大型操作机装备时，研究团队仍然遇到许多难以解决的瓶颈问题。
国机重装首席专家、中国重型院锻造操作机和锻造压机学术带头人张营杰，回想起那段研制过程仍然十分感慨。他说：“研发3000kN/7500kNm超大型锻造操作机，需要从理论分析着手，深入探索设备工作机理，进行轻量化、紧凑型结构设计，还要针对这种满负荷时近1500吨庞大运动质量的移动机械，解决其短步距、高频次进料的快速响应与精确定位难题，同时，还必然要面对诸多极限制造和安装空间受限的问题。对于项目研发团队而言，整一个完整的过程极其艰难。”
在中国重型院研究员卫凌云负责的操作机核心控制部件“钳杆动作控制阀站”的研制过程中，就遇到了结构设计与布置空间匹配严重冲突的“卡脖子”难题。该阀站需要对操作机钳口夹紧和松开、钳杆旋转、侧移侧摆、水平缓冲等4组动作来控制，在额定工作所承受的压力24MPa、4000L/min高压大流量情况下，需要将70余种液压元件、60多个不一样的规格的油路接口按照逻辑关系整合在一起，这本身就是一件非常棘手的事情。关键是，为了能够更好的保证控制的灵敏性，这个阀站还必须就近安装在悬吊的钳杆体上，可安装空间条件限制重重。
张营杰介绍：“那一段时间，卫凌云不仅承担着项目研发的重任，还默默承受着生活上的巨大压力。当时，她的孩子正面临小升初，同龄孩子都在父母陪同下加强补习，而她却为了能专心工作，把孩子送进了全托学校。有时孩子周末放学，她就把孩子直接带到办公室一起加班，直到很晚。”
卫凌云说：“我们先后设计了5种方案，但是都不足以满足要求，当时的感觉真是太难了。”在经过无数次计算、优化、仿真、迭代后，团队终于攻克了难关，研制出的模块集成式控制阀站，大幅度减小了整体结构尺寸，降低了加工难度，实现了超大型控制阀站的轻量化设计，解决了空间布置的难题，满足了设备性能要求。
正是因为有很多像卫凌云这样的科学技术人员的辛勤付出，首台3000kN/7500kNm大型锻造操作机才能迎来众所期待的结果：2013年底，首台3000kN/7500kNm大型锻造操作机如期研制成功并投入生产应用；2016年，顺利通过国家科技重大专项的任务验收，先后获得国机集团科技奖特等奖、中国机械工业科技进步奖一等奖、中国质量技术奖优秀奖。
中国重型院成功开发的全球首台3000kN/7500kNm大型锻造操作机，不仅打破了国外垄断，而且引领了我国锻造操作机和大型自由锻件制造领域的技术发展，产生了良好的社会经济效益。
中国重型院结合二重装备要求，在协同融合深化上下功夫，对大型锻造操作机结构设计、控制原理逐步优化，使设备结构更紧凑、运动更灵活、性能更稳定、使用更可靠，外形更加整齐美观。
2018年底，3000kN/7500kNm大型锻造操作机按期交付。在二重装备车间，操作机稳定夹持数百吨1000℃以上高温锻坯进行六维精准送进，明显提高了锻造生产效率与材料利用率、减少了锻造火次、降低了能耗，锻件质量也得以大幅度提高。二重装备有了3000kN/7500kNm大型锻造操作机的助力，极限锻造能力极大的提升，开创了高品质锻件绿色化、数字化、优质高效锻造生产的新局面，形成了大型锻件高端化、规模化、极限化制造的强大优势。2021年，二重装备锻造量突破8万吨，实现了核电主管道、超超临界新产品项目锻件、燃机项目转子锻件的“精品锻造”，形成了以“华龙一号”为代表的第三代核电机型全套铸锻件、百万千瓦级超超临界机组关键成套大锻件等为代表的极限制造体系，谱写了新时代大型锻件生产新篇章。
截至目前，中国重型院研制供货的300吨级的锻造操作机运行稳定，其夹持锻件质量、外观尺寸、提升行程等关键参数均处于国际领先水平，大车行走定位精度±5mm、旋转定位精度±1°的核心控制技术达到国际领先水平，所生产的各种大型高端精密复杂锻件为我国电力、大型船舶、冶金、石化、航空航天等国家战略产业的高水平质量的发展提供了有力保障。
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