劉東：行業翹楚育新人，國之工匠樹國威

文/賈亞莉·FM 記者

作為機械零件或者零件毛坯的制造業之一，軍品、民品、外貿一直是鍛造企業市場開拓的三駕馬車。由于疫情沖擊、國際局勢和經濟轉型等多方面因素的影響，今年的鍛造行業確實面臨許多困難，但也出現了不少新機遇(新能源汽車異軍突起、農機需求明顯增長，機器人和自動化裝備需求旺盛等等)。面對困難企業要怎樣突破，面對機遇企業要怎樣抓??？

本刊記者借助和西北工業大學(以下簡稱“西工大”)開展產業研合作之際，有幸深入了解了這座扎根西北、鍛大國重器、在行業內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大學材料學院二級長聘教授劉東。劉東教授在鍛造加工行業戎馬半生，桃李滿天下，同時深諳鍛造加工工藝、管理和生產環節的難點和痛點，其真知灼見一定會為行業內同仁帶來諸多啟發和思考。

因材施教，為學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”的校訓開展工作。西工大鍛壓專業以培養具有家國情懷、基礎扎實、追求卓越的鍛壓行業領軍人才為目標，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和國民經濟建設輸送了1500 余名優秀本科生和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領軍人才。多年來西工大鍛壓專業與國內外眾多鍛壓企業和研究機構一直保持著長期交流合作，在這樣的團隊氛圍下，學生有更多機會了解行業癥結、接觸實際問題，帶著問題學習，在解決問題中成長，學習的目的性和成長速度自然就快了。畢業后一般都能快速進入角色和適應崗位工作。例如，教師們一般不鼓勵同學只是待在學校和試驗室，而是更多地鼓勵同學們去企業、去現場。為了進一步拓寬同學們的知識面，團隊一直堅持“主副課題交叉、并行開展工作”的原則。同學們在團隊內一般都會同時參與兩項以上技術內容不同的研究課題，促使他們完善知識結構，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們的快速成長起到了很好作用。對于研究生，團隊更關注他們學習能力、邏輯思維能力和團隊協作精神的培養。

潛心教研，解決業內“卡脖子”工程

軸承是機械裝備的“關節”，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。據不完全統計，近年來我國每年需要進口約130 億美元的高端軸承，占我國軸承產銷的40%以上。在軸承全壽命周期的料、車、磨、裝、檢、用六大環節中，“料”是指軸承套圈和滾動體的內在質量，它是決定軸承品質的物質基礎。而長期制約我國高端軸承生產的重要因素之一就是高品質軸承鋼的生產。其中，純凈度控制和碳化物調控被認為是軸承鋼生產的兩大“卡脖子”問題。

近年來，經過我國特鋼企業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。特鋼企業的熔煉設備和冶煉工藝大幅提升，國產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，碳化物的有效調控就成為世界各國軸承鋼生產所面臨的主要問題，碳化物調控也被認為是高品質軸承鋼生產的最后一個“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。那么在工業化生產中如何實現軸承鋼碳化物的均細化調控呢？

劉東教授介紹道：“我們鍛壓團隊針對這一難題，在國家相關課題的支持下開展了系統攻關。歷經16 年研發，首創了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，產線出口線速度達到200mm/s，生產效率比傳統鍛造方法提高了一個數量級。PTR 強力旋軋是在劇烈塑性變形(Severe Plastic Deformation，簡稱SPD)原理基礎上研發的工業級超細晶成形技術，本質上屬于第四代鍛造技術。PTR 采用壓扭復合變形原理，利用三個方向的劇烈塑性變形來充分破碎碳化物，實現碳化物均細化調控的目的?！?/p>

劉東接著說道：“從GCr15 軸承鋼傳統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。軸承臺架試驗結果表明，在同等原材料冶金質量條件下，采用PTR 技術生產的軸承，其L10壽命顯著提高，達到了世界領先水平。PTR 技術的原理和方法同樣可以應用于其他金屬材料以及棒材和盤件的生產，從而為我國軸承、齒輪、傳動軸等高端傳動系統基礎零件的研發生產提供新一代鍛造成形技術支撐?！?/p>

強強聯合，實現航空發動機國產化

航空發動機被譽為現代工業皇冠上的明珠，涉及眾多工業領域和基礎學科，是一個國家工業水平的綜合體現。航空發動機機匣通俗講就是發動機的外殼，一般由鈦合金、高溫合金和耐熱鋼制成。機匣既是航空發動機的主要承力結構，同時也是轉子和靜子的安裝基準，服役過程中的尺寸穩定性要求極為嚴格。在發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。然而，發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，截面復雜多變。這樣的薄壁弱剛度零件，如何制造才能在發動機工作時的冷熱交替、強振動、復雜載荷條件下不會變形？這是世界各國航空發動機研制的“不傳之密”。

劉東教授介紹道：“我們鍛壓團隊聯合航空工業3007 廠、中國航發606 所和621 所組成攻關團隊，連續兩個“五年計劃”持續攻關，先后突破了低應力輾軋等9 項關鍵技術，建立了我國機匣環件精確輾軋技術體系。所研發的系列航空發動機機匣，已全面應用于我國在研、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支撐。同時也實現了向GE、R.R.、普惠等公司商用航空發動機機匣的批量出口，這也是我國航空發動機關重件制造技術首次向世界頂級發動機公司的返銷。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，一是成形二是改性，但其實施過程涉及人、機、料、法、環等眾多流程和眾多參數，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雜系統。要實現這類過程的智能化，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’轉變，既是現代工業技術發展的內在規律，也體現了做實做強制造業，搶占國際市場和國際話語權的國家意志。但也必須保持清醒認識，要實現智能制造的轉變，任重道遠。各行各業的對象不同、基礎條件不同，發展現狀不同，企業員工尤其是領導的認識層次不同，實現智能制造的轉變途徑和實施方案也應該不同。

“具體到鍛造技術領域來講，自動化、標準化、信息化(或者叫數字化)、智能化，這幾個客觀發展階段，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定化，盡可能減少人工變量。在此基礎上的標準化，則是通過規程、規范、標準等手段，限定各個環節的實施過程，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上，識別和表征過程變量，統計分析，尋找規律，建立數字模型，監控實施過程并進行反饋。目前炙手可熱的大數據和數字孿生技術主要就是針對這個環節。智能化作為產品實現過程的高級階段，更多的是根據上個階段的反饋信息和對產品的要求，在知識系統和專家系統的幫助下做出決策，并產生響應指令。這幾個環節逐次遞進，相互協同，才能有效實現智能鍛造的目的。

“從上述分析可以看出，我國目前眾多鍛造企業中，各個發展階段都有。其中多數處于第一或第二階段的后期，少數頭部企業已經進入第三階段，但真正實現智能鍛造的并不多。我們鍛壓團隊以往也與不少企業開展過智能鍛造技術方面的合作，有經驗更有教訓，很希望通過此次訪談分享一下我們的認識：①智能鍛造是技術進步的必然趨勢，也是一個逐次遞進的客觀過程?！畯澋莱嚒奶岱ú⒉粐乐?，應該客觀分析企業現狀，該補的課一定要補上。②智能鍛造并不僅僅是一個技術層面的問題，很多情況下涉及到企業經營決策和生產管理的全部流程。所以說，智能鍛造是一個企業的體系行為，尤其是領導觀念，需要有清醒認識。③企業應該認真梳理自身現狀，首先著力提升鍛造過程的自動化和標準化能力。然后重點開展關鍵過程與參數識別、DoE 試驗驗證與統計分析、數值模擬與數字孿生技術的應用等方面工作；研究單位則應該緊密貼合企業實際和企業需求，著力開展基礎數據庫、工藝數據庫、細分的專家系統和知識系統開發等平臺建設。④西工大非常愿意與鍛造行業的各個單位就智能鍛造技術進行交流與合作，更希望利用我們的經驗和教訓為推進我國鍛造行業智能化升級提供幫助和借鑒?！?/p>

縱橫對比，為行業發展指明道路

從縱向看，經過70 余年的發展，我國已經建立起門類齊全的鍛造產業鏈，基本滿足了我國國民經濟和國防建設對各類鍛件產品的需求。我國鍛造行業的企業數量、從業人數、設備保有量和鍛件總產量都已經是世界第一。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和應用，某些領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 米數控環軋機等一系列世界噸位最大的重型鍛壓設備。

但從橫向對比看，我國鍛造行業與國外先進水平相比，確實還存在不小差距。發達國家的鍛造企業，大多已經完成了自動化和標準化過程，并且已經發展到信息化過程的中后期。他們積累了足夠體量的生產數據和知識數據，也已經根據各自的需求開發了自用的數據庫和知識系統，數值模擬技術已經成為鍛造工藝研發、鍛件質量控制和故障分析的必備工具。

關于我國鍛造企業需要奮起直追的方面，劉東教授團隊總結了以下幾點。為了我國鍛造行業持續健康發展，鍛造企業應該著力加強以下幾方面工作：①加強鍛造企業的自動化和標準化進程，盡快補齊短板；②高度重視生產數據和知識數據的積累，加快細分領域的數據庫、知識庫和專家系統等平臺建設，大量推廣數值模擬等先進數字化技術在鍛造行業中的應用；③高度關注第四代鍛造技術的基礎研究和工程應用。實際上，鍛造作為人類掌握的基礎成形技術之一，已經有了千年歷史。第一代鍛造技術主要依靠人力敲擊加載和經驗傳承控制。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。第三代鍛造技術是在二代基礎上，引入了信息化和智能化等更先進的分析、測試與控制手段。第四代鍛造技術則是以近年來人們在劇烈塑性變形(SPD 技術)、超細晶成形、微納米改性加工等領域的一系列新發現和新規律為基礎，研發的各類能夠打破常規的Hall-Petch 關系，獲得強塑性和強韌性明顯優于常規鍛件的各類鍛造技術?？陀^上講，在第四代鍛造技術的研發方面，國內外基本上處于同等水平，國內的某些四代技術甚至世界領先，在這些方面加強基礎研究和應用研究，完全可能實現“換道超車，領跑世界”。

結束語

大環境變了，企業的發展途徑自然要變。過去行業內同質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，創新一直在路上”。