风电环件锻造工艺与装备最新发展

闫鹏程

工欲善其事，必先利其器。风能，是大自然对人类无私的馈赠，自20世纪70年代，在丹麦开始商业风能的开发和利用以来。世界进入了风力发电的时代。但是风电在带给人类能源的同时，也对人类工业制造能力提出了巨大挑战。巨大塔架，巨型风力涡轮机，这些巨大设备不单是体积单纯放大。而是一个国家，一个民族甚至是人类装备制造业成果的集中体现。

我国风电始于20世纪80年代，当时通过外汇从丹麦维斯塔斯公司引进0.6MW风力发电机。当时从安装到调试，甚至连接塔筒的螺栓都从国外进口。这种高强度螺栓在当时的国内无法制造。更不用说风电塔筒，和连接法兰等重要的风电结构件。随着信息技术的高速发展与深入普及，工业及制造业借助于信息技术的应用。对传统装备制造业使用的大型设备提出了信息化、智能化的要求势在必行。

1. 径－轴向数控辗环机

D52系列径轴向数控辗环机是加工高质量无缝环形工件的先进设备，主要用于轧制风电连接法兰毛坯、轴承内外套圈、齿轮圈、管道法兰、轮毂、回转支撑、起重运输机上的旋转轮圈、大容器的加强圈、飞机发动机的壳体与机匣等锻件，可轧制碳钢、不锈钢、钛合金、铜合金、铝合金及高温合金等材质环形件；该机上位机采用工控计算机，下位机使根据主机的需要采用德国西门子S7-300系列可编程序控制器，并具有多种智能模块，采用目前工控行业最为稳定快捷的总线通信、A/D模块、D/A模块、COUNTER模块及各种I/O模块等。上位机管理软件采用了更为先进的Wi ndows界面，操作更为简便，鼠标键盘方便快捷，使用方便，界面友好，主要参数见表1，环件辗制原理图如图1、图2所示，D53型数控辗环机如图2所示，成形的塔筒连接法兰如图3所示。

表1 数控径向辗环机主要技术参数

2. 锻径－轴向数控辗环工艺特点

（1）设备吨位小，加工范围大 辗环成形过程是局部加压连续小变形的累计，工件与模具接触面积小，因此需要变形力小，设备吨位小。

（2）材料利用率高 环件轧制截面形状更接近于成品，加工余量小。某种机械零件不同加工方法的比较如表2所示。

（3）产品质量好 轧制环件金属纤维沿圆周方向连续分布，与零件使用时受力及磨损相适应。多数情况下，轧制环件内部组织致密、晶粒细小，综合力学性能明显高于其他方法加工的环件。

（4）劳动条件好，生产率高 环件轧制类似静压轧制，基本无冲击、振动，噪声低，易于操作，机械化、自动化程度高，工人劳动强度大幅降低。

（5）生产成本低 与自由锻相比，材料消耗低，能源消耗低，综合生产成本低，具有较好的经济效益。

3. 国内热锻径－轴向数控辗环机的发展

济南铸造锻压机械研究所自20世纪70年代开始径－轴向卧式辗环机设备的研制，其热辗环设备及技术研究，在随后很长一段时间内在国内热辗环领域占据主导地位。至20世纪90年代，殷耀高级工程师主管研制的D53K－3000A型径－轴向卧式数控辗环机获得成功，标志着我国开始拥有大型卧式数控热辗环装备的制造能力。该项目为国家“八五”重点攻关项目，采用了当时国际最先进的芯辊下抽式结构、径向驱动电动机直流可调速技术、CNC自动控制技术等，机器最大辗压力为径向2000k N/轴向1600k N，辗压件直径3500mm，最大轴向高度700mm。该机型成为当时及随后多年国产大型环件热辗扩的经典机型。

21世纪初，济南几家民营高科技技术企业的涌现，极大地推动了D53K系列径－轴向数控辗环机工艺、设备及自动化控制的发展。其中济南沃茨数控机械有限公司研发的国内首台D53K－6300数控辗环机，2008年在张家港市三林法兰有限公司一次试机合格，顺利投入生产。该机为目前国内首台轧制能力最大的热辗环设备，机器具有以下特点：

（1）动力配置大。最大辗压力为径向4000kN/轴向3150kN，轧制最大成品直径6300mm，最大成品高度900mm（中碳钢热锻条件下）。

（2）轧制能力强。加工成品外径6300mm、重量20000k g环件，预制坯料外径2500mm以内、单边壁厚800mm、高度方向轧制量200mm以上，加热环坯一次上机即可完成轧制。

（3）锥辊（轴向轧辊）国内独家采用目前国际最先进的30°锥角设计结构。有效减小模具磨损，发挥更大的轧制能力。

（4）自动化控制水平及轧制环件下机热态精度等技术指标，达到或部分超过本世纪初国际先进水平。轧制环件端面平整、精度高，可完全替代进口机型。

（5）全新三维优化设计的机器结构，更有利于机器轧制能力的发挥，机器使用、维护、更换模具等更为方便。

图1 环件辗制原理

图2 D53型数控辗环机

图3 塔筒连接法兰

表 2

（6）机器关键部位大量采用进口元器件，极大提高整机稳定性与可靠性：液压系统高精度比例阀全部采用德国力士乐原厂产品；电气系统下位机采用日本三菱Q系列大型、高速、高性能PLC，字操作处理时间0.1～0.2μs(德国西门子S7-30 0为0.5μs)；电动机直流调速系统采用德国西门子原装调速系统（非经国产扩容）；电控系统全部采用法国施耐德元器件。

（7）最先版本、完全自主研发的CACS计算机辅助控制系统，以硬件环境为基础，较国外机型更适应国内坯料及加热一般条件。

2009年4月，济南沃茨公司生产的相同轧制力机型在山东伊莱特重工公司投产，为全球风力发电设备制造业的巨擘维斯塔斯（Vest as）、歌美飒（Games a）等公司提供环件产品。

济南沃茨数控机械有限公司近几年专门致力于D53K系列数控辗环机的轧制工艺、设备大型重载化、电气系统自动化控制等领域的研究与开发，其热辗环设备与应用工艺方面的技术与综合能力目前在国内居于领先地位。

4. 国内外热锻径－轴向数控辗环机对比

国内热锻辗环机生产中普遍超载使用，我公司机型已适当加大机器轧制能力并相应提高整机强度与刚度。相对于国外机型，我公司辗环机对毛坯精度的要求适当放宽，更适于国内一般生产条件，俗称“吃粗粮”能力强。

国内外热锻径－轴向数控辗环机对比细节：①国产径－轴向辗环机，小轧制力机型空缺，大轧制力机型有待开发。②国产机型在相同轧制力配置下，轧制环件的最大截面尺寸小一些。③国产机型在相同轧制力配置下，电机功率配置通常比国外大一至两个规格。④国产辗环机轧制环件的加工余量一般比国外大1/3左右。⑤噪声及环保方面比国外还有差距。⑥国产机型更适于国内生产环境。

5. 环件轧制自动化控制

辗环自动化控制，是随着电气元器件的更新及辗环工艺的深化研究而不断发展进步的。由于环件轧制具有非对称性、非线性、时变、非稳态等特点，使轧环过程非常复杂，增加了检测与控制的难度。

为了满足生产要求，国产D53K系列径－轴向数控辗环机全部采用以上位计算机为核心的控制系统及控制软件。济南沃茨公司自主研发的CACS计算机辅助控制系统，基本代表了目前国内径－轴向辗环机自动化控制的最高水平。该系统硬件主要由上位机、下位机及各种高精度传感器、执行元件等组成。上位机采用工控计算机，下位机是根据主机的需要采用可编程序控制器，并具有多种智能模块，如上位机通信模块、A/D模块、D/A模块、高速计数模块及各种I/O模块等。

控制系统软件主要由上位机管理软件及下位机轧制工艺软件组成。上位机管理软件采用图文显示，所有页面均采用中文提示，使用方便，界面友好。此控制软件提供简洁、易用的操作界面，环件轧制过程的相关数据全部采用直观图形、数字等显示模式，方便操作者对机器的工作过程进行控制和监控。上位机管理软件操作使用极为方便。其所具有的功能为：环件的参数输入，环件轧制过程监控，环件轧制过程参数存盘、打印，各机构参考点位置修正等。

系统具有调整、手动（半自动）与自动等工作方式选择，根据实际需要，操作人员可选择控制环件的外径、内径或中径，多余金属自动分配。在上位机输入成品环尺寸、毛坯尺寸及轧制工艺代号等参数即可对环的径向与轴向同时轧制，轧制过程中操作人员可对有关参数进行人工干预。

系统采用闭环比例控制，无级调节轧制力、定心力及轧制进给量，并具有完善的自诊断与自保护等功能。采用该CACS计算机辅助控制系统热轧制环件的精度，已达到甚至部分超过德国公司上世纪末本世纪初的精度水平。

6. 国内热锻径－轴向数控辗环机市场现状与分析

目前，国内使用热锻辗环机的生产厂家地理分布不很均衡。其中径－轴向数控辗环机（D53K系列）国内保有量约60台，大多集中在无锡、江阴、张家港一带及山西定襄一带，其他如山东、河南、四川、北京、贵州、陕西、辽宁、江苏等省市有零星分布。

辗环机制造商的综合能力及技术水平参差不齐，提供辗环机设备性能水品亦高低不同。近几年，在热锻辗环机大量增加、市场繁荣的背后存在许多深层次问题。热锻辗环机市场还远未达到规范化有序化的健康发展。

径－轴向数控辗环机属于机器结构、液压及电气控制、产品成形工艺等均较复杂的热加工设备。任何一个环节甚至一个控制参数的配置不当，都有可能极大地影响整机性能的发挥与轧制产品精度的保证。

相对于应当掌握设备及工艺复杂技术的供货商而言，大量用户因严重缺乏关于辗环机设备及工艺的基本知识而处于相对弱势的地位。热锻辗环机本身属于专机类产品，设备的参数、详细配置、功能要求等需由供货商与用户共同协商后确定，因而设备供货周期长（如D53K系列径轴向数控辗环机目前国内供货时间一般一年以上），供货商一般无现货提供。为配套辗环机设备的使用，用户前期投资（如厂房、设备基础制作、配套加热设备、配套装出料设备、配套制坯油压机等）较大，热锻辗环机作为整条环件热锻生产线上的主轧设备一旦失败，许多前期投入造成的损失将无法挽回，因而多数用户对于辗环机设备成败的评判很慎重。限于目前国内相关行业行为规范、行业产品标准及相关法律制度的不健全，责任追究比较困难。以上现存的状况，给一些片面追求利润的供货商，客观上在一定时期内提供了以次充好、以小充大的机会。这在一定程度上扰乱了原本就不甚规范的市场秩序，给整个行业的健康发展增加了困难。

国内关于热锻辗环机设备与实际应用技术方面的文献，除原济南铸锻所殷耀高级工程师《辗环机在工作中出现环件爬辊问题的解决方法》（1995年）、袁灵等《计算机在热锻设备上的应用》（1994年）、谭和滋《辗环机定心辊受力分析及其设计中的几个问题》（1994年）、张吉光《数控辗环机最佳辗轧工艺路线的确定》（1995年）外，近几年很少见到类似实用性、专业性强的文献发表，为业内人员及时了解行业最新发展技术及最新动态造成不便。

热锻辗环机行业既要追求数量的增加，也应该注意产品品质的提高。当前影响全球的金融危机，势必造成辗环机设备市场分布、市场份额、各家生产用户产量等现有格局的重新洗牌。在优胜劣汰的市场法则下，危机给优秀企业带来更多的是发展机遇。当然，市场在推动主流先进技术产品不断发展的同时，也允许低端产品的存在，以扩大具有不同需求用户的选择范围。

7. 国内热锻径－轴向数控辗环机发展方向

环件热辗压轧制技术已经成为大型环形零件生产的高效、先进和主要的工艺方法之一。轧制生产设备如热锻数控辗环机，未来的发展趋势是大型化、重载化及提高自动化控制水平。对于中小型热锻辗环机（倾斜立式辗环机与卧式径向辗环机），主要是合理运用闭式或半闭式成形工艺，提高精度与效率，实现少无切削加工。

（1）大型环件热轧制装备及技术 直径5000mm以上大型零件，越来越多地采用热辗环的工艺生产，原先效率较低的马架扩孔等工艺逐步被取代。要求辗环机设备供货商提供大型化、重载化的辗环装备，并配套大型环件先进的、稳定性高的轧制技术。

（2）自动轧制技术 要求辗环装备供货厂家深入研究国内外相关理论文献，在相关协会的组织引领下，与大专院校及学者充分交流各方面的技术信息，结合生产实际，优化控制系统数学模型及参数设置，提高自动化控制水平，力争达到一键式启动，实现辗环全过程真正意义上的无人化全自动控制，将操作者人为的影响因素降至最低，进一步提高轧制环件产品精度及质量稳定性。

（3）轧制装备结构多元化 学习国外先进技术，研发可抽式（上抽与下抽）芯辊轴结构、径向轧制系统框架上下双动式结构、定心系统非刚性同步结构、非接触式测量反馈系统等，适应不同环件要求的不同轧制工艺，提供多种可供选择的设备结构形式，方便轧制环件上下料，缩短辅助时间，进一步提高机器生产效率。

（4）异型截面环件轧制技术 对于异型、复杂截面环件的轧制，要求优化预制坯工艺与轧制成形工艺，以减少机加工余量，提高材料利用率，将越来越得到重视和迅速发展。

（5）轧制动态特性、新结构及新工艺在辗环装备上的应用。