文/賈亞莉·FM 記者

作為機械零件或者零件毛坯的制造業(yè)之一，軍品、民品、外貿(mào)一直是鍛造企業(yè)市場開拓的三駕馬車。由于疫情沖擊、國際局勢和經(jīng)濟轉(zhuǎn)型等多方面因素的影響，今年的鍛造行業(yè)確實面臨許多困難，但也出現(xiàn)了不少新機遇(新能源汽車異軍突起、農(nóng)機需求明顯增長，機器人和自動化裝備需求旺盛等等)。面對困難企業(yè)要怎樣突破，面對機遇企業(yè)要怎樣抓?。?/p>

本刊記者借助和西北工業(yè)大學(xué)(以下簡稱“西工大”)開展產(chǎn)業(yè)研合作之際，有幸深入了解了這座扎根西北、鍛大國重器、在行業(yè)內(nèi)取得了矚目成績的秦嶺腳下最美名校。本次我們采訪到西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院二級長聘教授劉東。劉東教授在鍛造加工行業(yè)戎馬半生，桃李滿天下，同時深諳鍛造加工工藝、管理和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的難點和痛點，其真知灼見一定會為行業(yè)內(nèi)同仁帶來諸多啟發(fā)和思考。

因材施教，為學(xué)生提供快速成長舞臺

在教書育人方面，西工大一直秉承“公誠勇毅、三實一新”的校訓(xùn)開展工作。西工大鍛壓專業(yè)以培養(yǎng)具有家國情懷、基礎(chǔ)扎實、追求卓越的鍛壓行業(yè)領(lǐng)軍人才為目標，秉持“潛心樹人，育華夏棟梁”的初心，先后為我國國防科技事業(yè)和國民經(jīng)濟建設(shè)輸送了1500 余名優(yōu)秀本科生和500 余名研究生，包括2 名兩院院士、10 余名國家級人才以及30 余位副總師以上的行業(yè)領(lǐng)軍人才。多年來西工大鍛壓專業(yè)與國內(nèi)外眾多鍛壓企業(yè)和研究機構(gòu)一直保持著長期交流合作，在這樣的團隊氛圍下，學(xué)生有更多機會了解行業(yè)癥結(jié)、接觸實際問題，帶著問題學(xué)習(xí)，在解決問題中成長，學(xué)習(xí)的目的性和成長速度自然就快了。畢業(yè)后一般都能快速進入角色和適應(yīng)崗位工作。例如，教師們一般不鼓勵同學(xué)只是待在學(xué)校和試驗室，而是更多地鼓勵同學(xué)們?nèi)テ髽I(yè)、去現(xiàn)場。為了進一步拓寬同學(xué)們的知識面，團隊一直堅持“主副課題交叉、并行開展工作”的原則。同學(xué)們在團隊內(nèi)一般都會同時參與兩項以上技術(shù)內(nèi)容不同的研究課題，促使他們完善知識結(jié)構(gòu)，掌握并行工作和時間管理的方法。這些具體做法對促進同學(xué)們的快速成長起到了很好作用。對于研究生，團隊更關(guān)注他們學(xué)習(xí)能力、邏輯思維能力和團隊協(xié)作精神的培養(yǎng)。

潛心教研，解決業(yè)內(nèi)“卡脖子”工程

軸承是機械裝備的“關(guān)節(jié)”，凡是有運動副的地方都會用到軸承。我國雖然是世界軸承生產(chǎn)的大國，但遠遠不是軸承強國，中低端軸承大量出口，而高端軸承主要依賴進口。據(jù)不完全統(tǒng)計，近年來我國每年需要進口約130 億美元的高端軸承，占我國軸承產(chǎn)銷的40%以上。在軸承全壽命周期的料、車、磨、裝、檢、用六大環(huán)節(jié)中，“料”是指軸承套圈和滾動體的內(nèi)在質(zhì)量，它是決定軸承品質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。而長期制約我國高端軸承生產(chǎn)的重要因素之一就是高品質(zhì)軸承鋼的生產(chǎn)。其中，純凈度控制和碳化物調(diào)控被認為是軸承鋼生產(chǎn)的兩大“卡脖子”問題。

近年來，經(jīng)過我國特鋼企業(yè)和科研人員的不斷努力，軸承鋼的純凈度控制問題得到了有效解決。特鋼企業(yè)的熔煉設(shè)備和冶煉工藝大幅提升，國產(chǎn)超純凈軸承鋼的全氧含量、夾雜物和成分精度的控制也達到或接近了國外先進水平。在純凈度控制問題緩解之后，碳化物的有效調(diào)控就成為世界各國軸承鋼生產(chǎn)所面臨的主要問題，碳化物調(diào)控也被認為是高品質(zhì)軸承鋼生產(chǎn)的最后一個“攔路虎”。

眾所周知，軸承鋼中一般都加入了大量的碳化物形成元素，依靠足夠體積分數(shù)的碳化物作為強化相來提高軸承鋼的硬度和耐磨性。但是，只有獲得細小的碳化物尺寸和均勻彌散的碳化物分布，才能獲得理想的使用性能。那么在工業(yè)化生產(chǎn)中如何實現(xiàn)軸承鋼碳化物的均細化調(diào)控呢？

劉東教授介紹道：“我們鍛壓團隊針對這一難題，在國家相關(guān)課題的支持下開展了系統(tǒng)攻關(guān)。歷經(jīng)16 年研發(fā)，首創(chuàng)了PTR 強力旋軋的原理、方法和工藝，自主研制了直徑φ30mm ～φ350mm 的系列化輾軋裝備，可完成φ350mm 以下軸承鋼管、套圈和滾動體的自動化生產(chǎn)，產(chǎn)線出口線速度達到200mm/s，生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)鍛造方法提高了一個數(shù)量級。PTR 強力旋軋是在劇烈塑性變形(Severe Plastic Deformation，簡稱SPD)原理基礎(chǔ)上研發(fā)的工業(yè)級超細晶成形技術(shù)，本質(zhì)上屬于第四代鍛造技術(shù)。PTR 采用壓扭復(fù)合變形原理，利用三個方向的劇烈塑性變形來充分破碎碳化物，實現(xiàn)碳化物均細化調(diào)控的目的。”

劉東接著說道：“從GCr15 軸承鋼傳統(tǒng)方法鍛造后的碳化物和PTR 強力旋軋后的碳化物的對比可以看出，由于強力旋軋過程中工件三個方向的變形量比傳統(tǒng)鍛造方法大得多，因此碳化物得到了充分破碎，獲得了700 ～800 納米的碳化物尺寸和均勻彌散的分布。軸承臺架試驗結(jié)果表明，在同等原材料冶金質(zhì)量條件下，采用PTR 技術(shù)生產(chǎn)的軸承，其L10壽命顯著提高，達到了世界領(lǐng)先水平。PTR 技術(shù)的原理和方法同樣可以應(yīng)用于其他金屬材料以及棒材和盤件的生產(chǎn)，從而為我國軸承、齒輪、傳動軸等高端傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)零件的研發(fā)生產(chǎn)提供新一代鍛造成形技術(shù)支撐?！?/p>

強強聯(lián)合，實現(xiàn)航空發(fā)動機國產(chǎn)化

航空發(fā)動機被譽為現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠，涉及眾多工業(yè)領(lǐng)域和基礎(chǔ)學(xué)科，是一個國家工業(yè)水平的綜合體現(xiàn)。航空發(fā)動機機匣通俗講就是發(fā)動機的外殼，一般由鈦合金、高溫合金和耐熱鋼制成。機匣既是航空發(fā)動機的主要承力結(jié)構(gòu)，同時也是轉(zhuǎn)子和靜子的安裝基準，服役過程中的尺寸穩(wěn)定性要求極為嚴格。在發(fā)動機六類常見故障中，“碰磨、抱死、振動、衰減”四類故障均與機匣服役變形密切相關(guān)。然而，發(fā)動機機匣又是典型的極弱剛度零件，直徑大則2000mm，小則500mm，而壁厚僅為2 ～5mm，截面復(fù)雜多變。這樣的薄壁弱剛度零件，如何制造才能在發(fā)動機工作時的冷熱交替、強振動、復(fù)雜載荷條件下不會變形？這是世界各國航空發(fā)動機研制的“不傳之密”。

劉東教授介紹道：“我們鍛壓團隊聯(lián)合航空工業(yè)3007 廠、中國航發(fā)606 所和621 所組成攻關(guān)團隊，連續(xù)兩個“五年計劃”持續(xù)攻關(guān)，先后突破了低應(yīng)力輾軋等9 項關(guān)鍵技術(shù)，建立了我國機匣環(huán)件精確輾軋技術(shù)體系。所研發(fā)的系列航空發(fā)動機機匣，已全面應(yīng)用于我國在研、在役型號，為我國多個武器裝備的動力自主保障提供了技術(shù)支撐。同時也實現(xiàn)了向GE、R.R.、普惠等公司商用航空發(fā)動機機匣的批量出口，這也是我國航空發(fā)動機關(guān)重件制造技術(shù)首次向世界頂級發(fā)動機公司的返銷。項目榮獲2019 年國家科技進步二等獎，我本人也非常榮幸地代表團隊受到了習(xí)總書記的親切接見?！?/p>

中國“智造”，任重道遠、砥礪前行

鍛造的兩個核心任務(wù)，一是成形二是改性，但其實施過程涉及人、機、料、法、環(huán)等眾多流程和眾多參數(shù)，尤其是還包含溫度和載荷的分布、梯度、速率等不容易直接表征的特殊過程，是典型的多因素耦合作用下的復(fù)雜系統(tǒng)。要實現(xiàn)這類過程的智能化，上述幾個客觀階段是必不可少的。在談到鍛造企業(yè)智能化改造的時候，劉東教授從多維度展開。

“我個人認為，積極推進由中國制造向‘中國智造’轉(zhuǎn)變，既是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律，也體現(xiàn)了做實做強制造業(yè)，搶占國際市場和國際話語權(quán)的國家意志。但也必須保持清醒認識，要實現(xiàn)智能制造的轉(zhuǎn)變，任重道遠。各行各業(yè)的對象不同、基礎(chǔ)條件不同，發(fā)展現(xiàn)狀不同，企業(yè)員工尤其是領(lǐng)導(dǎo)的認識層次不同，實現(xiàn)智能制造的轉(zhuǎn)變途徑和實施方案也應(yīng)該不同。

“具體到鍛造技術(shù)領(lǐng)域來講，自動化、標準化、信息化(或者叫數(shù)字化)、智能化，這幾個客觀發(fā)展階段，我個人認為是很難跨越的。自動化的主要目的，除了提高效率降低成本，從某種程度講更重要的是把鍛造過程固定化和穩(wěn)定化，盡可能減少人工變量。在此基礎(chǔ)上的標準化，則是通過規(guī)程、規(guī)范、標準等手段，限定各個環(huán)節(jié)的實施過程，通俗講就是給各個變量賦予確定的閾值。信息化則是在標準化的基礎(chǔ)上，識別和表征過程變量，統(tǒng)計分析，尋找規(guī)律，建立數(shù)字模型，監(jiān)控實施過程并進行反饋。目前炙手可熱的大數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生技術(shù)主要就是針對這個環(huán)節(jié)。智能化作為產(chǎn)品實現(xiàn)過程的高級階段，更多的是根據(jù)上個階段的反饋信息和對產(chǎn)品的要求，在知識系統(tǒng)和專家系統(tǒng)的幫助下做出決策，并產(chǎn)生響應(yīng)指令。這幾個環(huán)節(jié)逐次遞進，相互協(xié)同，才能有效實現(xiàn)智能鍛造的目的。

“從上述分析可以看出，我國目前眾多鍛造企業(yè)中，各個發(fā)展階段都有。其中多數(shù)處于第一或第二階段的后期，少數(shù)頭部企業(yè)已經(jīng)進入第三階段，但真正實現(xiàn)智能鍛造的并不多。我們鍛壓團隊以往也與不少企業(yè)開展過智能鍛造技術(shù)方面的合作，有經(jīng)驗更有教訓(xùn)，很希望通過此次訪談分享一下我們的認識：①智能鍛造是技術(shù)進步的必然趨勢，也是一個逐次遞進的客觀過程。‘彎道超車’的提法并不嚴謹，應(yīng)該客觀分析企業(yè)現(xiàn)狀，該補的課一定要補上。②智能鍛造并不僅僅是一個技術(shù)層面的問題，很多情況下涉及到企業(yè)經(jīng)營決策和生產(chǎn)管理的全部流程。所以說，智能鍛造是一個企業(yè)的體系行為，尤其是領(lǐng)導(dǎo)觀念，需要有清醒認識。③企業(yè)應(yīng)該認真梳理自身現(xiàn)狀，首先著力提升鍛造過程的自動化和標準化能力。然后重點開展關(guān)鍵過程與參數(shù)識別、DoE 試驗驗證與統(tǒng)計分析、數(shù)值模擬與數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用等方面工作；研究單位則應(yīng)該緊密貼合企業(yè)實際和企業(yè)需求，著力開展基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、工藝數(shù)據(jù)庫、細分的專家系統(tǒng)和知識系統(tǒng)開發(fā)等平臺建設(shè)。④西工大非常愿意與鍛造行業(yè)的各個單位就智能鍛造技術(shù)進行交流與合作，更希望利用我們的經(jīng)驗和教訓(xùn)為推進我國鍛造行業(yè)智能化升級提供幫助和借鑒?！?/p>

縱橫對比，為行業(yè)發(fā)展指明道路

從縱向看，經(jīng)過70 余年的發(fā)展，我國已經(jīng)建立起門類齊全的鍛造產(chǎn)業(yè)鏈，基本滿足了我國國民經(jīng)濟和國防建設(shè)對各類鍛件產(chǎn)品的需求。我國鍛造行業(yè)的企業(yè)數(shù)量、從業(yè)人數(shù)、設(shè)備保有量和鍛件總產(chǎn)量都已經(jīng)是世界第一。鍛造、沖壓、鈑金、擠壓、軋制等各類通用和專用塑性加工工藝我國均有大量研發(fā)和應(yīng)用，某些領(lǐng)域也達到了世界先進水平。我國還擁有8 萬噸模鍛液壓機、3.6 萬噸黑色金屬擠壓機、2 萬噸等溫鍛壓機、3.6 萬噸高能螺旋壓力機、以及16 米數(shù)控環(huán)軋機等一系列世界噸位最大的重型鍛壓設(shè)備。

但從橫向?qū)Ρ瓤?，我國鍛造行業(yè)與國外先進水平相比，確實還存在不小差距。發(fā)達國家的鍛造企業(yè)，大多已經(jīng)完成了自動化和標準化過程，并且已經(jīng)發(fā)展到信息化過程的中后期。他們積累了足夠體量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和知識數(shù)據(jù)，也已經(jīng)根據(jù)各自的需求開發(fā)了自用的數(shù)據(jù)庫和知識系統(tǒng)，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為鍛造工藝研發(fā)、鍛件質(zhì)量控制和故障分析的必備工具。

關(guān)于我國鍛造企業(yè)需要奮起直追的方面，劉東教授團隊總結(jié)了以下幾點。為了我國鍛造行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，鍛造企業(yè)應(yīng)該著力加強以下幾方面工作：①加強鍛造企業(yè)的自動化和標準化進程，盡快補齊短板；②高度重視生產(chǎn)數(shù)據(jù)和知識數(shù)據(jù)的積累，加快細分領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫、知識庫和專家系統(tǒng)等平臺建設(shè)，大量推廣數(shù)值模擬等先進數(shù)字化技術(shù)在鍛造行業(yè)中的應(yīng)用；③高度關(guān)注第四代鍛造技術(shù)的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用。實際上，鍛造作為人類掌握的基礎(chǔ)成形技術(shù)之一，已經(jīng)有了千年歷史。第一代鍛造技術(shù)主要依靠人力敲擊加載和經(jīng)驗傳承控制。第二代則以機械加載取代了人工，并以自動化和標準化為典型特征。第三代鍛造技術(shù)是在二代基礎(chǔ)上，引入了信息化和智能化等更先進的分析、測試與控制手段。第四代鍛造技術(shù)則是以近年來人們在劇烈塑性變形(SPD 技術(shù))、超細晶成形、微納米改性加工等領(lǐng)域的一系列新發(fā)現(xiàn)和新規(guī)律為基礎(chǔ)，研發(fā)的各類能夠打破常規(guī)的Hall-Petch 關(guān)系，獲得強塑性和強韌性明顯優(yōu)于常規(guī)鍛件的各類鍛造技術(shù)?？陀^上講，在第四代鍛造技術(shù)的研發(fā)方面，國內(nèi)外基本上處于同等水平，國內(nèi)的某些四代技術(shù)甚至世界領(lǐng)先，在這些方面加強基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，完全可能實現(xiàn)“換道超車，領(lǐng)跑世界”。

結(jié)束語

大環(huán)境變了，企業(yè)的發(fā)展途徑自然要變。過去行業(yè)內(nèi)同質(zhì)化競爭和低價取勝的階段已近尾聲，守成是守不住的，只有創(chuàng)新才有機會。作為鐵匠，我們一直堅信一個道理，“打鐵還需自身硬，創(chuàng)新一直在路上”。