摘要: 介紹了輥鍛機的工作原理、結構及性能特點，分析了輥鍛機與其它鍛壓設備相比所具有的突出優越性。對輥鍛機在國內的應用及研究發展現狀及其當前急需解決的幾個關鍵技術問題及進行了闡述。對輥鍛機進一步的研究方向提出了幾點建議。
“十二五”規劃《綱要》把節能減排作為我國技術裝備和服務水平的約束性指標后，鍛壓設備行業開始快速走上了節能環保道路。由于輥鍛工藝是連續局部塑性變形，變形力小，所需設備作用力小。與其他鍛壓設備相比，輥鍛機具有設備投資小、生產率高、對廠房和基礎要求低等優點，并且易于實現機械化和自動化，因而輥鍛機已成為鍛壓行業中的首選設備。現階段，輥鍛機在汽車、拖拉機、飛機、動力機械、農業機械、工具以及日用品制造等工業部門中均越來越受到重視，具有非常大的市場前景 。
1 、輥鍛機的工作原理及結構
輥鍛機是一種鍛壓機械，它是利用一對相向旋轉的扇形模具使坯料產生塑性變形，從而獲得所需鍛件或鍛坯的鍛造工藝，輥鍛原理如圖1 所示。由圖1 可以看出，在輥鍛變形過程中，坯料在高度方向經輥鍛模壓縮后，除一小部分金屬橫向流動外，大部分金屬沿坯料的長度方向流動。因此，輥鍛變形的實質是坯料在壓力下的延伸變形過程，適用于減小坯料截面的工序，如軸類件的拔長，板坯的碾片等。在工業應用中，輥鍛既可作為模鍛前的制坯工序，為長軸類鍛件提供鍛造用毛坯( 稱為制坯輥鍛) ; 亦可在輥鍛機上實現主要的鍛件成形過程或直接輥制出鍛件( 稱為成形輥鍛) 。輥鍛機按其結構和用途可分為懸臂式( 工作部分懸伸在床身外部) 、雙支承式( 工作鍛輥用軸承支承在兩個直立的機架中) 、復合式( 懸臂式和雙支承式這兩部分的復合) 及專用輥鍛機( 專門為輥制某些特殊工藝要求的鍛件而設計的) 等四類 。目前應用最廣泛的是雙支承式輥鍛機，其主要組成部分為機架、輥鍛裝置、中間軸裝置、平衡裝置、機架移動裝置、離合器、制動器、電機裝置、飛輪制動器、終端開關裝置、氣動、潤滑、水冷裝置等，如圖2 所示。
( a) 輥鍛開始階段( b) 輥鍛結束階段
圖1 輥鍛原理圖
2 、輥鍛機的應用及研究現狀
輥鍛機最早在國外得到廣泛應用，尤其是在重型機械行業非常發達的德國。早在20 世紀50年代，熱模鍛壓力機開始得到迅速發展。但由于熱模鍛壓力機不適合拔長、滾壓等制坯工序，在模鍛軸類鍛件時必須配備制坯輔助設備，因此促進了輥鍛機的應用和推廣。我國對輥鍛機的應用是在20 世紀70 年代開始的。當時為了滿足國內對輥鍛機的需求，1978 年12 月，我國機械部重礦局通過中國機械進出口總公司從德國EUMUCO 公司引進了全套技術和標準，生產AＲWS 型系列自動輥鍛機，使得我國可以生產和世界水平同步的最先進的輥鍛機。到目前為止，國內應用的主要還是這種類型的輥鍛機。國內生產輥鍛機的廠家主要是中國二重和北京機電所兩家單位。北京機電所在提供設備的同時還可提供輥鍛工藝與模具技術。近幾十年，國內外學者在輥鍛機方面也進行了大量研究。1992 年，李東平、崔力生、付沛福等介紹了輥鍛技術的特點與使用范圍，論述了當時農機行業輥鍛技術的應用情況，并針對農機行業中的鍛壓行業與國內外的差距提出了在農機行業擴大應用及發展輥鍛技術的建議 。2001年田碩、馬芝青、王圓等研究了新型閘瓦銷的輥鍛工藝，通過理論計算與試驗對比，分析了輥鍛機研制中兩個主要參數( 壓力、功率) 的確定原則，確定出了壓力及功率合理的選用值。2002 年濟南大學的王強、何芳與德國的Hermann Eratz 等以輥鍛模具為對象開發了三維CAD 專用軟件Vera-CAD。該軟件能夠自動生成輥鍛毛坯圖，優化輥鍛工藝過程，反求原始毛坯及中間道次的坯料形狀及尺寸，最終生成模具三維型腔或電極NC 加工數據文件，繪制二維模具圖紙 。2004 年吉林大學的李世彬對自動輥鍛機機械手進行了研究，分析了輥鍛機自動機械手關鍵部件的力學性能參數，分析了采用液壓控制系統及電氣控制系統相結合的控制方式實現自動機械手的動作的特點及優勢，并設計了自動輥鍛機機械手控制的人機交互界面［ 。2002 年華中科技大學的陳建全對汽車前軸精密成型輥鍛及模鍛工藝與模具進行了CAD 技術開發，在分析傳統計算毛坯設計不足的基礎上，論述了前軸CAD 系統獲取計算毛坯橫截面面積的原理，對比恒定步長算法，提出了一種變步長的算法 。2003 年，北京機電所的蔣鵬、羅守靖、胡福榮等研究了AＲWS 型自動輥鍛機與加熱爐、模鍛主機的連接方式［9］。2004 年華中科技大學的劉桂華與北京機電所的任廣升、徐春國等利用軟件Deform3D 建立了輥鍛變形過程的剛粘塑性有限元系統模型。對圓—橢圓—圓型槽系中的輥鍛變形過程進行了三維數值模擬，研究了輥鍛三維變形過程中材料的流動速度場、應力應變場的特征及其動態演化過程，討論了不同變形參數對應力應變的影響 。2005 年胡福榮、蔣鵬、余光中等CAD/CAM 技術應用在了前軸精密輥鍛模具設計制造中。采用先進設計手段、合理設計前軸精密輥鍛模具以達到優化工藝、縮短調試時間的目的 。2006 年中北大學的于建民、張治民、李保成等用MSC /superform 軟件對葉片輥鍛工藝用對稱模型進行了數值模擬，分析了坯料輥鍛過程中金屬的流動情況、等效應變的分布和輥鍛力矩，優化設計工藝參數，為葉片輥鍛制坯工藝的制定提供了依據 。2007 年吉林大學的宋玉泉、王明輝、宋家旺等研制出一種新型精成形輥鍛機。該新型輥鍛機通過在傳統輥鍛機的上鍛輥與下鍛輥之間增設凹模板，通過齒圈齒條結構使其同步移動，使工件的軸向和橫向均受到凹模約束，改善了傳統輥鍛機不能精成形的難題 。2011 重慶大學的柳豪、周杰等研究了某型號重卡前軸成形輥鍛工藝數值模擬輔助設計及優化問題，解決了美國某型號重卡前軸成形輥鍛工藝調試中鍛件在彈簧板與工字梁部位折疊、工字梁部位充不滿等缺陷 。到目前為止，國內對于輥鍛機的研究基本都集中在改善當前輥鍛工藝及輥鍛機輔助設備的研制上，而針對輥鍛機本身的研究卻鮮有報道。由于實現高質量輥鍛并非是一個單純的工藝問題，必須克服現有輥鍛機的缺點和不足，因此如何研制出能滿足精密成型的輥鍛機就顯得尤為重要。當前針對輥鍛設備本身的研發才剛剛起步，具有很大的研發潛力。
1—保護罩2—大齒輪3—機架4—上齒輪5—左機架6—右機架7—離合器8—飛輪
圖2 輥鍛機的主要結構
3 、輥鍛機的關鍵技術及發展前景
3． 1 重型化
自改革開放以來，在我國工業增加值的構成中，重工業的比例不斷上升，經歷了一個“產業結構重型化”的過程。2006 年以來，重工業產值在工業總產值中的比重再創新高，上升到70% 以上，至2008 年，這一比例更是上升到71． 33%［15］。以輥鍛機的主要應用領域汽車行業為例，從世界各國重型車發展歷史看，各國專用汽車、柴油機車、礦山機械等都已經顯示出重型化、專業化的發展趨勢。各國汽車制造公司都將載貨汽車重型化、發動機大功率化以及高科技裝備化作為產品研制和開發的發展方向。重型車的發展已經成為汽車產業和國民經濟快速增長的動力，直接推動國家產業結構向重型化升級。隨著重工業比例的提高，重型車需求量的迅猛增加，大幅度提升了市場對大型零件的需求。這將導致原有的鍛壓設備噸位不足，因而推動了對大型、重型鍛造設備的需求。由于輥鍛機的優勢及其節能性的特點，對大型輥鍛機的需求量自然大幅增加。現在市面上應用的輥鍛機最大的做到了1100 mm。遠遠滿足不了當前的需要，所以今后幾年，應加快對大型輥鍛機的研制，并盡快投入市場。
3． 2 綠色鍛造
為了應對越來越嚴峻的資源、環境壓力，鍛造工業提出了采用綠色鍛造的可持續發展模式。綠色制造作為一種綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造方式，其目標是使產品在設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產品生命周期中，對環境的影響( 負作用) 最小，資源效率最高，并使企業經濟效益和社會效益協調優化。鍛造作為傳統的熱加工行業，生產過程中能耗高、污染大、生產環境惡劣，因此迫切需要采用這種綠色制造模式，建設可持續發展的現代鍛造企業［16］。為順應綠色鍛造的社會發展要求，輥鍛機在設計及使用過程中要走綠色發展之道，要按照資源使用效率最高、環境影響最小的理念，遵循節能、環保、安全、高效的原則。
3． 3 精密輥鍛技術
隨著我國制造行業的發展，現在已經逐步從附加值低的粗放型制造邁向附加值高、技術含量高的精密型制造，相應地對機械產品的質量也提出了越來越高的要求。諸如一些軍工產品、航空航天產品、儀器儀表產品、汽車產品、微型機械產品，其精度要求已達到微米級、亞微米級，甚至納米級。這樣的精度要求決定了發展精密加工、超精密加工技術 。精密加工技術的發展也促進了機械、電子、光學、液壓、傳感器、測量技術及材料科學的發展，同時也提高了對整個鍛造行業包括輥鍛機的技術水平和加工精度的更高要求。另外，目前原材料成本在鍛造成本構成中占到60%以上，我國輥鍛機的材料利用率在80% 左右，提高材料利用率，降低金屬損耗的潛力相當可觀。要想持續站穩輥鍛機市場，勢必要提高輥鍛機產品的質量，提高輥鍛精密成型的性能，大大提高材料的利用率，才能保持輥鍛機生產企業的競爭能力。
3． 4 潤滑技術
現有的輥鍛機相對運動部件較多，潤滑點特別多，但潤滑技術卻相對落后。例如關鍵的齒輪潤滑及滑動軸承潤滑均采用開式潤滑，不僅浪費潤滑油，影響美觀，污染環境，且由于輥鍛件是高溫作業，容易帶來安全隱患。因此輥鍛機的潤滑技術也急需改進。
另外，國外一些有實力的大型鍛造公司現已大規模運用機器人來代替人工生產，效益及安全性顯著增加，而我國目前只有少數的鍛造公司運用機器人。一直以來以人工為主、勞作力密布的鍛造職業，機器人的使用將是大勢所趨。在10 年時間內，我國將大步跨進工業機器人年代。因此，在輥鍛工藝設計中要充分考慮與機器人合理高效的連接，使輥鍛機跟上鍛壓行業高效自動化的時代。配備制作業作為我國的基礎支柱產業，在將來我國經濟前行中發揮著不可代替的作用。隨著全球經濟一體化程度的深入，我國鍛件總產量不斷攀升，鍛造技術不斷前進。而我國鍛造要從大國邁向強國，完成綠色鍛造、低碳鍛造方針，以工業機器人為中心的智能化與主動化配備改造，無疑將為鍛造公司提高競爭力，體現先進制作優勢，贏得市場商機供給更加有力的支持。
4 、結語
隨著我國基礎設施步伐的加大，帶動了我國鍛壓工業的蓬勃發展。在當前國家大力推動節能減排的形勢下，貫徹節能、環保、安全、高效的“綠色鍛造”理念，對鍛造行業顯得尤為重要。打造綠色環保的鍛造行業已是現今業內勢在必行的舉措。輥鍛機以其具有設備投資小、生產率高、對廠房和基礎要求低等優點獲得迅速發展的契機。當前輥鍛機廠家應該抓住這個契機，順應時勢發展需要，在設計及使用過程中走綠色發展之道，積極創新研發出新的產品，大力推動綠色生產以及循環經濟的發展。
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