刘东：行业翘楚育新人，国之工匠树国威

2022-11-14贾亚莉FM

锻造与冲压 2022年21期

文/贾亚莉·FM 记者

作为机械零件或者零件毛坯的制造业之一，军品、民品、外贸一直是锻造企业市场开拓的三驾马车。由于疫情冲击、国际局势和经济转型等多方面因素的影响，今年的锻造行业确实面临许多困难，但也出现了不少新机遇(新能源汽车异军突起、农机需求明显增长，机器人和自动化装备需求旺盛等等)。面对困难企业要怎样突破，面对机遇企业要怎样抓住？

本刊记者借助和西北工业大学(以下简称“西工大”)开展产业研合作之际，有幸深入了解了这座扎根西北、锻大国重器、在行业内取得了瞩目成绩的秦岭脚下最美名校。本次我们采访到西北工业大学材料学院二级长聘教授刘东。刘东教授在锻造加工行业戎马半生，桃李满天下，同时深谙锻造加工工艺、管理和生产环节的难点和痛点，其真知灼见一定会为行业内同仁带来诸多启发和思考。

因材施教，为学生提供快速成长舞台

在教书育人方面，西工大一直秉承“公诚勇毅、三实一新”的校训开展工作。西工大锻压专业以培养具有家国情怀、基础扎实、追求卓越的锻压行业领军人才为目标，秉持“潜心树人，育华夏栋梁”的初心，先后为我国国防科技事业和国民经济建设输送了1500 余名优秀本科生和500 余名研究生，包括2 名两院院士、10 余名国家级人才以及30 余位副总师以上的行业领军人才。多年来西工大锻压专业与国内外众多锻压企业和研究机构一直保持着长期交流合作，在这样的团队氛围下，学生有更多机会了解行业症结、接触实际问题，带着问题学习，在解决问题中成长，学习的目的性和成长速度自然就快了。毕业后一般都能快速进入角色和适应岗位工作。例如，教师们一般不鼓励同学只是待在学校和试验室，而是更多地鼓励同学们去企业、去现场。为了进一步拓宽同学们的知识面，团队一直坚持“主副课题交叉、并行开展工作”的原则。同学们在团队内一般都会同时参与两项以上技术内容不同的研究课题，促使他们完善知识结构，掌握并行工作和时间管理的方法。这些具体做法对促进同学们的快速成长起到了很好作用。对于研究生，团队更关注他们学习能力、逻辑思维能力和团队协作精神的培养。

潜心教研，解决业内“卡脖子”工程

轴承是机械装备的“关节”，凡是有运动副的地方都会用到轴承。我国虽然是世界轴承生产的大国，但远远不是轴承强国，中低端轴承大量出口，而高端轴承主要依赖进口。据不完全统计，近年来我国每年需要进口约130 亿美元的高端轴承，占我国轴承产销的40%以上。在轴承全寿命周期的料、车、磨、装、检、用六大环节中，“料”是指轴承套圈和滚动体的内在质量，它是决定轴承品质的物质基础。而长期制约我国高端轴承生产的重要因素之一就是高品质轴承钢的生产。其中，纯净度控制和碳化物调控被认为是轴承钢生产的两大“卡脖子”问题。

近年来，经过我国特钢企业和科研人员的不断努力，轴承钢的纯净度控制问题得到了有效解决。特钢企业的熔炼设备和冶炼工艺大幅提升，国产超纯净轴承钢的全氧含量、夹杂物和成分精度的控制也达到或接近了国外先进水平。在纯净度控制问题缓解之后，碳化物的有效调控就成为世界各国轴承钢生产所面临的主要问题，碳化物调控也被认为是高品质轴承钢生产的最后一个“拦路虎”。

众所周知，轴承钢中一般都加入了大量的碳化物形成元素，依靠足够体积分数的碳化物作为强化相来提高轴承钢的硬度和耐磨性。但是，只有获得细小的碳化物尺寸和均匀弥散的碳化物分布，才能获得理想的使用性能。那么在工业化生产中如何实现轴承钢碳化物的均细化调控呢？

刘东教授介绍道：“我们锻压团队针对这一难题，在国家相关课题的支持下开展了系统攻关。历经16 年研发，首创了PTR 强力旋轧的原理、方法和工艺，自主研制了直径φ30mm ～φ350mm 的系列化辗轧装备，可完成φ350mm 以下轴承钢管、套圈和滚动体的自动化生产，产线出口线速度达到200mm/s，生产效率比传统锻造方法提高了一个数量级。PTR 强力旋轧是在剧烈塑性变形(Severe Plastic Deformation，简称SPD)原理基础上研发的工业级超细晶成形技术，本质上属于第四代锻造技术。PTR 采用压扭复合变形原理，利用三个方向的剧烈塑性变形来充分破碎碳化物，实现碳化物均细化调控的目的。”

刘东接着说道：“从GCr15 轴承钢传统方法锻造后的碳化物和PTR 强力旋轧后的碳化物的对比可以看出，由于强力旋轧过程中工件三个方向的变形量比传统锻造方法大得多，因此碳化物得到了充分破碎，获得了700 ～800 纳米的碳化物尺寸和均匀弥散的分布。轴承台架试验结果表明，在同等原材料冶金质量条件下，采用PTR 技术生产的轴承，其L10寿命显著提高，达到了世界领先水平。PTR 技术的原理和方法同样可以应用于其他金属材料以及棒材和盘件的生产，从而为我国轴承、齿轮、传动轴等高端传动系统基础零件的研发生产提供新一代锻造成形技术支撑。”

强强联合，实现航空发动机国产化

航空发动机被誉为现代工业皇冠上的明珠，涉及众多工业领域和基础学科，是一个国家工业水平的综合体现。航空发动机机匣通俗讲就是发动机的外壳，一般由钛合金、高温合金和耐热钢制成。机匣既是航空发动机的主要承力结构，同时也是转子和静子的安装基准，服役过程中的尺寸稳定性要求极为严格。在发动机六类常见故障中，“碰磨、抱死、振动、衰减”四类故障均与机匣服役变形密切相关。然而，发动机机匣又是典型的极弱刚度零件，直径大则2000mm，小则500mm，而壁厚仅为2 ～5mm，截面复杂多变。这样的薄壁弱刚度零件，如何制造才能在发动机工作时的冷热交替、强振动、复杂载荷条件下不会变形？这是世界各国航空发动机研制的“不传之密”。

刘东教授介绍道：“我们锻压团队联合航空工业3007 厂、中国航发606 所和621 所组成攻关团队，连续两个“五年计划”持续攻关，先后突破了低应力辗轧等9 项关键技术，建立了我国机匣环件精确辗轧技术体系。所研发的系列航空发动机机匣，已全面应用于我国在研、在役型号，为我国多个武器装备的动力自主保障提供了技术支撑。同时也实现了向GE、R.R.、普惠等公司商用航空发动机机匣的批量出口，这也是我国航空发动机关重件制造技术首次向世界顶级发动机公司的返销。项目荣获2019 年国家科技进步二等奖，我本人也非常荣幸地代表团队受到了习总书记的亲切接见。”

中国“智造”，任重道远、砥砺前行

锻造的两个核心任务，一是成形二是改性，但其实施过程涉及人、机、料、法、环等众多流程和众多参数，尤其是还包含温度和载荷的分布、梯度、速率等不容易直接表征的特殊过程，是典型的多因素耦合作用下的复杂系统。要实现这类过程的智能化，上述几个客观阶段是必不可少的。在谈到锻造企业智能化改造的时候，刘东教授从多维度展开。

“我个人认为，积极推进由中国制造向‘中国智造’转变，既是现代工业技术发展的内在规律，也体现了做实做强制造业，抢占国际市场和国际话语权的国家意志。但也必须保持清醒认识，要实现智能制造的转变，任重道远。各行各业的对象不同、基础条件不同，发展现状不同，企业员工尤其是领导的认识层次不同，实现智能制造的转变途径和实施方案也应该不同。

“具体到锻造技术领域来讲，自动化、标准化、信息化(或者叫数字化)、智能化，这几个客观发展阶段，我个人认为是很难跨越的。自动化的主要目的，除了提高效率降低成本，从某种程度讲更重要的是把锻造过程固定化和稳定化，尽可能减少人工变量。在此基础上的标准化，则是通过规程、规范、标准等手段，限定各个环节的实施过程，通俗讲就是给各个变量赋予确定的阈值。信息化则是在标准化的基础上，识别和表征过程变量，统计分析，寻找规律，建立数字模型，监控实施过程并进行反馈。目前炙手可热的大数据和数字孪生技术主要就是针对这个环节。智能化作为产品实现过程的高级阶段，更多的是根据上个阶段的反馈信息和对产品的要求，在知识系统和专家系统的帮助下做出决策，并产生响应指令。这几个环节逐次递进，相互协同，才能有效实现智能锻造的目的。

“从上述分析可以看出，我国目前众多锻造企业中，各个发展阶段都有。其中多数处于第一或第二阶段的后期，少数头部企业已经进入第三阶段，但真正实现智能锻造的并不多。我们锻压团队以往也与不少企业开展过智能锻造技术方面的合作，有经验更有教训，很希望通过此次访谈分享一下我们的认识：①智能锻造是技术进步的必然趋势，也是一个逐次递进的客观过程。‘弯道超车’的提法并不严谨，应该客观分析企业现状，该补的课一定要补上。②智能锻造并不仅仅是一个技术层面的问题，很多情况下涉及到企业经营决策和生产管理的全部流程。所以说，智能锻造是一个企业的体系行为，尤其是领导观念，需要有清醒认识。③企业应该认真梳理自身现状，首先着力提升锻造过程的自动化和标准化能力。然后重点开展关键过程与参数识别、DoE 试验验证与统计分析、数值模拟与数字孪生技术的应用等方面工作；研究单位则应该紧密贴合企业实际和企业需求，着力开展基础数据库、工艺数据库、细分的专家系统和知识系统开发等平台建设。④西工大非常愿意与锻造行业的各个单位就智能锻造技术进行交流与合作，更希望利用我们的经验和教训为推进我国锻造行业智能化升级提供帮助和借鉴。”

纵横对比，为行业发展指明道路

从纵向看，经过70 余年的发展，我国已经建立起门类齐全的锻造产业链，基本满足了我国国民经济和国防建设对各类锻件产品的需求。我国锻造行业的企业数量、从业人数、设备保有量和锻件总产量都已经是世界第一。锻造、冲压、钣金、挤压、轧制等各类通用和专用塑性加工工艺我国均有大量研发和应用，某些领域也达到了世界先进水平。我国还拥有8 万吨模锻液压机、3.6 万吨黑色金属挤压机、2 万吨等温锻压机、3.6 万吨高能螺旋压力机、以及16 米数控环轧机等一系列世界吨位最大的重型锻压设备。

但从横向对比看，我国锻造行业与国外先进水平相比，确实还存在不小差距。发达国家的锻造企业，大多已经完成了自动化和标准化过程，并且已经发展到信息化过程的中后期。他们积累了足够体量的生产数据和知识数据，也已经根据各自的需求开发了自用的数据库和知识系统，数值模拟技术已经成为锻造工艺研发、锻件质量控制和故障分析的必备工具。

关于我国锻造企业需要奋起直追的方面，刘东教授团队总结了以下几点。为了我国锻造行业持续健康发展，锻造企业应该着力加强以下几方面工作：①加强锻造企业的自动化和标准化进程，尽快补齐短板；②高度重视生产数据和知识数据的积累，加快细分领域的数据库、知识库和专家系统等平台建设，大量推广数值模拟等先进数字化技术在锻造行业中的应用；③高度关注第四代锻造技术的基础研究和工程应用。实际上，锻造作为人类掌握的基础成形技术之一，已经有了千年历史。第一代锻造技术主要依靠人力敲击加载和经验传承控制。第二代则以机械加载取代了人工，并以自动化和标准化为典型特征。第三代锻造技术是在二代基础上，引入了信息化和智能化等更先进的分析、测试与控制手段。第四代锻造技术则是以近年来人们在剧烈塑性变形(SPD 技术)、超细晶成形、微纳米改性加工等领域的一系列新发现和新规律为基础，研发的各类能够打破常规的Hall-Petch 关系，获得强塑性和强韧性明显优于常规锻件的各类锻造技术。客观上讲，在第四代锻造技术的研发方面，国内外基本上处于同等水平，国内的某些四代技术甚至世界领先，在这些方面加强基础研究和应用研究，完全可能实现“换道超车，领跑世界”。