浅析我国大型模锻压机研制情况

钳工百段

　　今年3月上旬，中国“大飞机”项目的关键设备——目前世界上最大的八万吨大型模锻压机已进入主体设备安装阶段。3月31日，由中国中冶所属中国二十二冶集团有限公司承包制造、清华大学机械工程系设计的西安三角航空科技有限责任公司400MN航空模锻液压机一次性热试成功。今年可谓是中国大型模锻压机研制和装备的关键年。大型模锻压机是以军事需求为主、军民兼用的多功能重型模锻压机，同时也机械制造行业中的关键设备，是衡量一个国家制造水平和能力的重要标志之一，尤其是对于锻造能力超过100MN的机械设备更是如此。大型模锻压机主要用于钛合金、铝合金、粉末合金、高温合金等难变形材料进行热模锻和等温超塑成形等。它的锻造特点是在足够长的保压时间内，采用较大的工作压力作用和较慢的变形速度实现变形材料致密度的改善，锻件的综合性能由于变性材料晶粒的细化而提高，整个锻件均匀变形，从而经过等温锻造和超塑性变形这些难变形材料和复杂结构的锻件能够满足产品设计的要求，达到机械加工量少或者近净型目标。大型模锻液压机可以生产包括航空航天、燃气、烟气轮机锻件，大型船用模锻件产品，电站用大型模锻件，核电、压力容器锻件及其他类型民品模锻件。

　　世界各国和我国模锻压机的发展

　　1795年，英国的J.布拉默应用帕斯卡原理发明了水压机，用于打包、榨植物油等。到19世纪中期，英国开始把水压机用于锻造，水压机逐渐取代了超大型蒸汽锻锤。直到1893年英国建造了当时最大的120MN的锻造水压机，主要用来锻造大的钢锭。到19世纪末，美国制成126MN自由锻造水压机。19世纪末20世纪初，现代化工业发展迅猛，锻造液压机和模锻液压机迅速发展，德国在二战期间建造了三台15OMN的锻造水压机和一台300MN的大型模锻水压机。1955年左右，至1955年，美国己先后建成了100MN和162MN模锻水压机各一台，315MN和450MN模锻水压机各二台，苏联也在1959年后陆续建成300MN模锻水压机三台和75OMN模锻水压机二台，法国于1976年从苏联引进了一台650MN多向模锻水压机。截至20世纪末，全世界共有万吨以上模锻水压机30余台，美、苏各有10余台，约占总台数和总吨位的70%左右。

我国8万吨模锻液压机结构图

钳工百段

　　在我国，重型模锻液压机的建造始于20世纪60年代末，中国第一重型机器厂为西南铝加工厂制造了一台300MN模锻水压机。其后，国家又进行了650MN多向模锻水压机、600MN预应力混凝土多向模锻水压机以及200MN多向模锻压机的研究和试制。虽然因种种原因这些项目没有上马，但其间发展出来的预应力钢丝缠绕技术和超高压液压技术则被成功地应用到重型板料成形液压机(100-400MN)和重型陶瓷砖压机(48-78MN)的制造中，并已形成了批量生产。我国于1974年建成的300MN有色金属模锻水压机，12OMN自由锻造水压机等多项重大机械装备(时称“61111工程”)，形成我国基础工业，航空航天武器装备和其他军事重大装备的基本制造能力。但我国现今拥有的巨型锻压设备就其能力而言，仅相当于上世纪德国40年代和美国、俄罗斯、法国50年代所拥有的锻压设备能力。美、俄、法三国在几十年前便建成了450MN-750MN世界级的大型模锻液压机并大力研发锻压工艺，奠定了生产大型整体精密模锻件的物质和技术基础，使他们研制生产的航空航天产品始终处于世界领先地位。

国家发展改革委副主任张国宝在15000吨自由锻水压机剪彩仪式上讲话

　　随着我国综合国力迅猛增长，工业实力日益雄厚，国家战略发展需求变得极为强烈，大型模锻、自由锻压机纷纷上马研制。2002年一重研制了“15000T锻造水压机”。该机是目前世界上最大、性能最先进的自由锻造水压机，研制中首创了平接式全预应力组合框架和方立柱16面可调间隙的平面导向结构，首创了以油-水联合控制高压大流量水阀、运动部分位置自适应及瞬时失载控制、工作缸冲击偏载预控为核心的精稳控制技术，2007年获黑龙江省科技进步特等奖，2008年获国家科技进步一等奖。该机成功锻造了世界首支直径5.75m的百万千瓦核电蒸发器锥形筒体及整体顶盖等特大锻件。今年3月31日，由中国中冶所属中国二十二冶集团有限公司承包制造、清华大学机械工程系设计的西安三角航空科技有限责任公司400MN（四万吨）航空模锻液压机一次性热试成功。八万吨重型模锻液压机也落户西安阎良国家航空高技术产业基地，专门用来支持我国航空工业部件制造。中国二重也研制了八万吨模锻压机，该机也是世界上最大的模锻压机,超过了此前世界最大的俄罗斯7.5万吨模锻压机。至此，我国已经在研和研制完毕的大型模锻压机已经有至少两个八万吨级、一个四万吨级，已经超过俄罗斯拥有两个7.5万吨级大压机的加工能力，而且还研制了世界上最大的自由锻水压机。可以说中国大压机已经问鼎世界。

中国15000吨自由锻水压机主要部件加工

钳工百段

　　大型锻造液压机突破对我国的战略意义

　　飞机制造领域：飞机结构的主要承力部件的组成部分都采用模锻件，其制造水平对飞机所能达到的最高性能水平、可靠性、寿命和技术经济效益有重大影响。工业发达国家的学者常把锻压技术，特别是大型模锻件的制造技术，作为衡量一个国家航空工业水平的重要标志。随着现代航空装备对高性能、高减重、长寿命、高可靠性以及低成本制造技术等需求的不断提高，现代飞机和发动机进一步向结构整体化、零件大型化的方向发展。构件大型整体化可以大幅度减少零件数量，从而减少零件之间连接所增加的质量；同时避免了由于连接带来的应力集中，提高构件结构寿命和可靠性；通过减少零件数量，还可大量减少工装数量和加工工装的工时，从而降低制造成本。1950年，美国为发展飞机制造业，开始实施“空军重型压机计划”，这期间梅斯塔（MESTA）公司为美国铝业公司制造1台450MN模锻液压机，同时劳威公司（LOEWY）为Wyman-Gordon公司制造了1台450MN模锻液压机和1台315MN模锻液压机。谁能想到这几台六十年前研制的大型模锻压机却是现在美国最先进战斗机的关键生产设备。美国的2台450MN模锻液压机、俄罗斯2台750MN模锻液压机和法国的1台650MN模锻液压机，再加上我国新研制装备的1台400MN模锻液压机和2台800MN模锻液压机，构成了世界顶级模锻设备分布体系。

波音747主起落架传动横梁模锻件

F-22后机身发动机舱整体隔框闭式模锻件

F-22中机身整体隔框闭式模锻件

　　Wyman-Gordon公司是美国生产钛合金锻件的专业公司，为新型飞机生产了一系列目前世界上最大尺寸的钛合金整体闭式模锻件。我们看看这个公司在利用450MN模锻液压机来生产什么部件，就能了解八万吨模锻压机对我国航空制造业的价值了。Wyman-Gordon公司最近的加工产品包括：（1）F-22战斗机四个承力隔框，锻件投影面积为4.06～5.67平方米。（2）F-22中机身整体隔框闭式模锻件，整体锻件投影面积达到5.67平方米，是迄今为止世界上最大的航空用钛合金整体隔框锻件.（3）F-22后机身发动机舱整体隔框闭式模锻件，材料为TI-6Al-4V钛合金，锻件长3.8m，宽1.7m，投影面积超过5.16平方米，质量达1590kg。（4）波音747主起落架传动横梁，材料为TI-6Al-4V钛合金，锻件长6.20m，宽0.95m，投影面积4.06m2，质量达1545kg。而欧洲由于大型模锻压机加工能力不足，A380多个部件都要利用俄罗斯750MN模锻压机加工。这导致A380的结构部件加工水平远高于只有450MN模锻压机的美国波音飞机。我国400MN模锻压机和800MN压机投产之后，尤其是西安正在装配的800MN模锻压机能够锻造出世界上质量最高的钛合金结构部件，这无疑会对我国四代机、大运、大客的结构部件加工有巨大的战略价值。

我国“歼二十”将由于八万吨模锻压机上马而使用上比美国F-22还要更好的结构部件。

钳工百段

　　航空动力领域：航空发动机中多个关键部件是模锻工艺制造而成，其中风扇叶片、压气机整体叶盘和涡轮盘等关键部件都需要使用大型模锻压机加工制造。美国目前建有1台50MN、2台80MN、1台100MN全封闭真空等温锻造压机，能够生产外径达1000mm、质量达1000kg的钛合金、高温合金盘形件。Ladish公司2007年开始筹建1台125MN的真空等温锻造设备，以满足高性能发动机对更大尺寸等温锻造盘件的需求。目前，美国第三代F100和F110系列推比7-8涡扇发动机以及第四代F119系列推比10一级涡扇发动机的风扇叶片、压气机叶盘和涡轮盘全部是以上设备生产的。尤其是涡轮盘材料及其成形技术也是发展高推重比发动机的关键技术之一，F119发动机之所以拥有傲视全球的性能，与其将两种材料锻造在一起的双性能涡轮盘有着紧密联系。，美国能够用于生产高性能粉末冶金涡轮盘的设备只有Houston的1台300MN多向模锻液压机。该设备曾因一次意外爆炸导致Houston的挤压设备停产几个月，致使美国所有军、民用航空发动机用粉末冶金部件全线告急，包套的粉末冶金迫不得已只能空运到位于Scotland的另一台挤压设备上进行，这也是在整个西半球上唯一能替换高性能粉末冶金涡轮盘加工的设备。由此可见，大型模锻压机这种极端工业加工设备简直是“振国之宝”、“工业桂冠”，谁拥有这样的极端加工能力，谁就掌握了航空工业发展的话语权。

中国钛合金风扇叶片锻造坯料和磨具


正在等温锻造的涡轮盘件


用于锻造粉末冶金涡轮盘的美国100MN等温锻造液压机


中国等温锻造航空发动机部件


中国模锻钛合金风扇叶片实物图

　　随着我国第三代大推力涡扇发动机“太行”的研制，我国在钛合金风扇叶片、整体叶盘模锻加工方面取得了长足进展。但是由于大型模锻设备的缺失，没能在“太行”发动机上应用发达国家在同类产品上已经应用的粉末冶金涡轮盘，导致发动机耐久性和性能都受到了影响。而现在，这个遗憾将一去不复存在。今年西安三角航空科技有限责任公司400MN（四万吨）航空模锻液压机一次性热试成功，而此次试制就是加工出一个模锻盘件。展望将来，等800MN模锻压机到位，我国就能够生产出材料更为优良、工艺更为先进的发动机部件，极大的促进我国新一代航空发动机的部件加工能力和批产能力，使四代机、大型运输机和大型客机的动力拥有巨大的技术和性能优势。

我国研制的第三代大推力涡扇发动机“太行”已经使用了大量模锻部件。

钳工百段

　　核工业领域：1999年2月2日,日本三菱重工株式会社(MHI)在其神户造船厂及机械工厂向中国秦山二期1号核电机组(压水堆,功率为600 MW)交付了一台反应堆容器。目前核反应堆压力容器，蒸汽发生器，稳压器，堆内构件均多采用大型锻件组成。核岛设备大型锻件的先进性、可靠性与其所采用结构材料的质量，性能的优劣有着十分密切。而我国由于缺乏模锻加工设备，长期以来，核反应堆容器都需要依赖国外进口。而我国在核工业领域这一被动局面，也由于新的大型模锻压机的研制和装备，迅速的扭转。2002年一重研制了“15000T锻造水压机”， 该机成功锻造了世界首支直径5.75m的百万千瓦核电蒸发器锥形筒体及整体顶盖等特大锻件，改变了我国核反应堆大型锻件受制于人的局面。中国二重也研制了“16000T锻造水压机”， 该机加工出我国首套1000兆瓦核电半速转子并且形成批量生产能力，1400兆瓦核电半速转子也在研制当中。上海重机厂研制了1.65万吨自由锻造油压机，该机能够锻造二代加型100万千瓦级核电站压力容器和特大功率船用低速柴油机曲轴。

我国利用15000吨水压机锻造世界最大百万千瓦核电锥形筒体

　　回顾中国近代史，中华民族之所以屡遭列强欺凌，最根本的缘由就是农业文明没有与工业文明对抗的能力。痛定思痛，从新中国建立那天起，中华民族就开始了工业化道路上的艰难跋涉，国力不足，我们勒紧裤腰带，列强卡脖子，我们自立自强。正是由于民族血脉中流动的近乎壮怀激烈的自强精神，中国的综合国力飞速发展，现在，是向西方列强挑战的时候了！在已经落实400MN模锻压机和800MN模锻压机，已经成为世界模锻加工能力翘楚之后，中国又开始了新的征程！据悉，苏州昆仑先进制造技术装备有限公司将联合清华大学等机构，整合各方资源，设计制造世界最大的1000MN（10万吨）大型模锻液压机！而且清华大学已经完成了1600MN也就是16万吨模锻液压机的研制和总体设计。16万吨！16000MN！是俄罗斯7.5万吨压机的2倍！是美国4.5万吨的3.5倍！龙腾东方，中国力量，中华民族必将因为这些巨大宏伟的钢铁巨兽的存在，更加自信地走在复兴之路上！