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中国在1973年建成第一台3万吨级模锻压机后,停滞了将近40年。
直至近两年爆发式地研制了多台巨型压机。
仅在2012年建成的就有3万吨(昆仑重工)、4万吨(三角航空)、8万吨(德阳二重)模锻压机各一台。
其中8万吨级压机,一举打破了前苏联保持了51年的世界纪录。
模锻压机主要用于制造航空、航天、核电、石化等领域的高强度钛/铝合金锻件。
如美国F15、F16、F22、F35战斗机的钛/铝合金机身框架、起落架、发动机涡轮盘;
美国波音747-787客机的钛合金起落架构件;
俄国苏27、苏33、T50战斗机的钛合金结构件;
欧洲空客A320-380客机的钛合金结构件;
乌克兰GT25000舰用燃气轮机直径1.2米涡轮盘等,都需要用上述巨型压机模锻成型。
其中美国波音747客机的主起落架传动横梁,采用TI-6Al-4V钛合金,锻件长6.20米,宽0.95米,投影面积4.06平方米,重达1545公斤。
美国F-22战斗机的后机身发动机舱,采用Ti-6Al-4V整体隔框闭式模锻件,长3.8米,宽1.7米,投影面积5.16平方米,重达1590公斤,由威曼高登公司采用4.5万吨级模锻压机制造。
F-22战斗机的中机身整体隔框闭式模锻件,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,也由威曼高登公司提供。
从世界范围来看,凡是拥有巨型模锻压机的国家,无一不是航空工业强国。
美、苏、欧在半个世纪前建造的巨型压机,奠定了世界航空工业三足鼎立的局面。
而中国在1978年改革开放后,重工业发展严重停滞,大批航空军工项目下马,其中就包括一台当时计划研制的6.5万吨级压机。
这一停就是二十多年时间,严重制约了中国航空工业发展。
“8亿件衬衫换一架飞机”,成为改革开放后,中国工业体系堕落的真实写照。
中国JH7、J10、J11等飞机上的部分钛铝合金框、梁、轴、臂、杆等模锻件,甚至需要从国外进口。
航空发动机、舰用燃气轮机由于缺少巨型模锻压机的支持,在性能产量上长期无法突破。
如此关键性的核心装备,肯定是无法用“以市场换技术”的买办政策从国外获得。
要想突破关键技术瓶颈,仍然要靠中国人自己的努力。
此时毛泽东时期给中国留下的重工业基础,再一次发挥了作用。
2009年5月18日,中国二重集团,用世界最大的1.6万吨级自由锻造水压机,成功锻造出CPR1000核电机组1150MW半转速汽轮发电机转子。
该转子直径2050毫米,总长16400毫米,毛坯重310吨,采用国内第一支实重560吨特大型钢锭锻制。
110万千瓦以上级核电机组特大型半速整锻转子,是当前世界大型锻件和极限制造领域高难产品,以前全世界只有日本制钢所(JSW)一家能够生产。
关系国家命脉的国有企业
中国第二重型机械集团,位于四川成都东北57公里的德阳市,始建于1958年10月13日,原名西南重型机器厂,1960年更名为第二重型机器厂,是1950-1963年间,我国筹建的八大重型机器厂之一。
二重建设分为两期工程,动员了数万名建设者,由170多个单项工程组成,分属生产车间、辅助车间、动力设施、仓库设施、运输设施、焦化厂、耐火材料厂等十大部分。
其中仅生产车间就有43.6万平方米,采用大跨度钢筋混凝土结构建造。
1954年从捷克进口一台1.2万吨级自由锻造水压机,1960年运至二重安装,仅机坑就深达10米。
120吨平炉厂房行车横梁跨度达36米,重达150吨。
1971年德阳二重全面建成投产,厂区占地面积2.69平方公里,下设铸造、锻造、模锻、金属结构、重机、齿轮、军工等7个分厂,及锻冶、工艺等23个处,另有大型铸锻件研究所、重型机械设计研究所、工艺研究室等科研机构。
以大型轧钢、锻压设备、电站设备铸锻件和大型火炮、航空锻件为生产方向。
建厂54年来,德阳二重为我国重工业发展,提供了近200台套关键装备,完成机器产品产量113万吨,为火电、水电、核电建设提供了20多万兆瓦的大型铸锻件。
1974年为葛洲坝制造世界最大的17万千瓦转桨式水电机组转轮叶片(转轮直径11.3米),1978年为舞钢研制的4200mm特厚板热连轧机,被誉为“共和国功勋轧机”。
1982年为重庆西南铝加工厂研制1万吨级多向模锻水压机。
1987年为宝钢二期制造2050mm热连轧机。
1988年研制成功国内第一条全自动模锻生产线——长春一汽12500吨曲轴前梁锻造自动生产线。
2005年为宝钢研制的5000mm宽厚板轧机,是我国第一台5米级轧机。
2006年向波兰出口2250mm热连轧机组。
2008年建成世界最大的1.6万吨级自由锻造水压机。
2010年参与制造三峡70万千瓦水轮机转轮。
至今已形成一次冶炼900吨钢水、浇铸600吨级真空钢锭、铸造500吨级铸钢件、锻造400吨级锻件的能力。
德阳二重还是我国航空模锻件的重要生产基地之一,有30多年的材料研究和生产经验,先后为我国航空工业提供了40余万件航空模锻件,产品覆盖了所有国产机型。
但是由于缺乏巨型模锻压机,二重在生产航空钛/铝合金模锻件方面,只有小型对击锤、模锻锤,难以加工大尺寸模锻件。
1973年中国第一台3万吨级模锻压机在西南铝加工厂投产后,德阳二重曾在1976年计划研制一台6.5万吨级模锻压机,并与清华大学展开了样机研制工作。
但是到改革开放后,该计划最终流产。
这一停就是二十多年。
1795年,47岁的英国工程师布拉默(J.Bramah),利用帕斯卡原理,制成了第一台实用的水压机,用于压纸打包。
照片为英国谢菲尔德凯勒姆岛博物馆(KelhamIslandMuseo),展示的布拉默水压机模型。
这是三梁四柱式自由锻造水压机发展的起点。
世界锻造工业萌芽期
锻造是一种非常古老的金属加工工艺,从远古时代起,人类就开始通过锻造工艺来制造金属刀剑。
铁匠通过上百次反复折叠锤打坯料,使疏松的金属内部柱状晶粒结构,结成细小均匀的等轴再结晶组织,钢胚内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等缺陷得到了压实锻合,让刀剑获得更高的硬度和韧性。
刀剑属于小型金属件,铁匠还能用铁锤锻打加工。
但是当人类进入工业时代后,重型机械上重达几吨、几十吨、甚至几百吨的巨型钢铁零部件,便不是铁匠用铁锤能锻造的了。
强度超过钢铁的钛合金材料,也非人力所能加工,由此便促进了金属锻造机械的发展。
1653年(清顺治10年)。
30岁的法国物理学家帕斯卡,在《论液体的平衡和空气的重力》一书中,提出了液体静压传动原理(帕斯卡原理)。
利用液体的不可压缩性,在密闭容器的一端,用活塞向液体施加作用力,液体会将相等的力传递到容器壁和另一端活塞,两端压强相等。
假如第二个活塞的面积是第一个活塞面积的10倍,那么作用在第二个活塞上的力,将增大为原来的10倍。
这一原理如同“力量倍增器”,让人们找到了突破人类力量极限的方法。
1795年(清乾隆60年),也就是乾隆退位的那一年。
47岁的英国工程师布拉默(J.Bramah),利用帕斯卡原理,制成了第一台实用的水压机,可用于压纸打包。
布拉默是个多才多艺的发明家,他改进的U型管防臭抽水马桶和防盗锁具,都获得了专利。
他还与“英国机床之父”莫兹利合作,研究了制锁车床。
为了提高水压机的压制力,布拉默与莫兹利合作,研究如何提高液压缸内壁车床加工精度,并用采用皮制杯状密封垫圈,解决了柱塞和液压缸体之间的漏泄问题。
同年他获得了第2045号水压机专利。
1830年代后,随着铁路蒸汽机、机械制造等领域的需求,一些小型水压机开始应用于金属锻造领域。
同一时期,以蒸汽为动力的落重蒸汽锤也获得了发展。
1836年(清道光16年),法国施耐德兄弟成立克鲁索铸造厂,开始用单臂蒸汽锤,制造蒸汽火车部件。
1842年,英国工程师J·
内史密斯,在考察过克鲁索工厂后,设计出“人”字形双臂结构的蒸汽锤。
1843年,克鲁索铸造厂开始批量生产改良后的蒸汽锤。
随后德国军火巨头克虏伯公司,与其展开了激烈竞争。
火炮及装甲武器的生产,又进一步刺激了蒸汽锤吨位不断提升。
1861年,克虏伯公司制造出一台名叫“Fritz”的50吨级蒸汽锤,安装在埃森工厂,并保持了16年的世界纪录。
直至1877年,不甘落后的法国克鲁索铸造厂,推出世界最大的100吨超级蒸汽锤,并做成模型,在1878年的巴黎万国博览会上好生炫耀了一番。
这是当时世界上最先进的锻机,包括机架、锻砧、锻锤、汽缸、阀门等部件。
总重量达到1300吨,总高21米,基础深入地下11米,砧座重达750吨,蒸汽汽缸内径1.9米,活塞行程5米,最大锻造力500吨米,能锻造120吨巨型钢锭。
由此克鲁索成为当时世界上锻造能力最强的企业。
1889年落成的埃菲尔铁塔,所有的钢铁制件,均由克鲁索工厂制造。
1891年,美国伯利恒钢铁公司在购买了克鲁索专利后,制造出一台125吨蒸汽锤。
喜欢热闹的美国人也造了一个木制模型,在1893年的芝加哥哥伦比亚世界博览会上展出。
同一年,美国伯利恒钢铁公司,历时4年建设的美国第一个重型锻造厂建成投产,装备了世界第一台万吨级自由锻造水压机。
20世纪初,随着大型蒸汽机、发电机、重型火车、装甲巡洋舰、大口径火炮等重型机械设备的发展,水压机吨位迅速提高。
1905年,出现以油代替水作为工作介质的油压机,性能得到进一步改善。
1934年12月,苏联在新克拉马托尔斯克重型机器厂(NKMZ)建成第一台万吨水压机(100MN)。
此后,德国、日本、捷克等国相继建成一批万吨水压机。
到二战结束前,苏联已经拥有4台万吨级水压机,美国拥有8台,大型锻造设备便成为一个国家工业实力的象征。
1957年至1961年,乌克兰新克拉马托重型机器厂(HKM3),为苏联建造了两台世界最大的7.5万吨级模锻液压机,分别安装在古比雪夫铝厂和上萨尔达钛厂。
这两台当时世界最大的巨型机器,总高34.7米,长13.6米,宽13.3米,基础深入地下21.9米,总重20500吨。
工作台尺寸16米X3.5米,采用12缸8柱上传动,模具空间净高4.5米,滑块行程2000mm。
它们是苏联航空工业体系的国宝级装备,1991年苏联解体后,被俄罗斯继承。
该厂现在是俄国最大的钛合金产品制造商——上萨尔达冶金生产联合公司(VSMPO-AVISMA)。
世界模锻压机发展概况
巨型模锻液压机是随着航空工业的需要而逐步发展起来的,早在第二次世界大战以前,德国为了发展航空工业,制造战斗机需要的航空铝合金锻件,于1934年研制了7000吨模锻液压机。
1938-1944年期间又先后制造了3万吨模锻水压机1台(安装在斯列曼Schloemann公司,现在是SMS集团的一部分)、1.5万吨模锻水压机3台。
英国于1937年制造了1.2万吨模锻水压机1台,其他国家都没有万吨模锻水压机。
1942年第二次世界大战进入白热化后,美国为加速生产战斗机,曾建造百余台中小型模锻水压机,但最大公称压力仅5000吨。
由于战时大型航空模锻件供应不足,B-17、B-25、B-29轰炸机在生产中出现很多问题。
1945年二战结束以后,美、苏两国意识到大型模锻压机的重要性,于是以战败赔偿为由,从德国拆走了一批万吨级模锻液压
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