一条轮毂生产线背后的“四维制造”密码

由浙江省宁波市重点扶持支持，对标高端装备制造前沿领域的德玛“四维制造”项目，历经8年研发攻关，获得突破性进展。近日，德玛公司总工程师和项目首席科学家李文龙博士宣称，运用“四维制造”理论与技术，其研发团队先后完成了基础理论论证、拓扑数据评估、首台套设备生产、场景化仿真流水线组合等系列研发目标，并先后在中国、美国、日本、欧盟等发达国家和地区获得125项国内外专利，包括58项发明专利。

不久前，作为“四维制造”项目示范工程，总投资逾10亿元的路威轮毂生产线在江西抚州试运行。这条数字化、连续化、自动化的锻造铝轮毂生产线，标志着德玛“四维制造”项目成果进入产业化阶段。

“增减”之间见“真功”——该生产线采用对称一体化结构与模块化生产，力与力矩对消近100%，可降低振幅75%，减少能耗80%，提高刚性度4倍、精度4个几何级，生产效率提高10倍，性能、节能、环保等综合效益提升10倍。与同样投资、同等规模传统企业相比，用地厂房面积降至1/10。传统装备需800至1000名操作工，路威仅需40至50名管理人员。

创新突破 “四维制造”带来技术革新

“‘四维制造’技术，以高端装备、工业母机转型迭代为研究方向，以汽车业节减化轻量化‘绿色驾驶’为精准切入目标，摆脱传统固有思维与路径依赖，实现了基础理论和技术方法的突破。”李文龙说。

“四维制造”，是在传统立体化叠加式的“三维制造”基础上，运用关于力对冲与平衡原理，引入全新的力学考量维度，形成的“四维制造”新体系新工作法。“四维制造”项目的投资方，是以生产出口微型轴闻名的宁波精益微型轴有限公司，该公司数十年来累计生产微型轴100多亿只（套），出口美欧日等30多个国家和地区。

2010年间，公司董事长董祥义在美国考察时发现，汽车轻量化浪潮正在欧美日等发达国家和地区兴起，其中轮胎内廓的金属部件轮毂，出现锻铝轮毂替代钢质、铸铝轮毂的趋势，而中国才刚刚起步。回国后，董祥义与公司管理层、技术经营团队调研论证，于2015年初成立宁波德玛智能机械有限公司，开展该项目的科研攻关与装备研发。

在深入考察国内多家汽车轮毂厂商后，德玛团队发现，这些企业的装备技术与制造工艺比较传统，产品能耗高、生产流程分离、成本风险大，难以适应未来产业化的应用推广。为此，德玛提出，以研发高端专用装备为先期突破口，走自己独特的转型升级之路。

锻造合金铝轮毂需要高效大功率专用锻压机。“我们把原有装备全部拆卸下来，对一个个零部件进行详尽剖析发现，看起来庞然大物的万吨锻压机，真正的受力点就在立柱内的4根螺杆、8只螺帽，依靠螺杆螺帽拧紧的力量，抵挡加工压力，而且锻压机自身还得承受锻造冲击的反弹力。”德玛公司副总经理黄进说。

在研究改进装备结构时，董祥义提出取消四根立柱，运用力对冲与平衡理论，将锻压机设计为2个或4个工位的设想。德玛团队请来专家教授、高级工程师论证发现，在机床装备、工业母机研发领域，引入力对冲与平衡原理具有科学依据，经多方商讨，最后将这一设想命名为“四维制造”工作法，在高端专业装备及锻铝轮毂生产线方面展开攻关。

“四维制造”创新改造锻压机等传统装备，将原来高达16米、重1000吨的立式锻压机翻转着地，变成高仅2米的平躺卧式锻压机，实现锻压机重心下沉，四脚均衡受力，大大提升平稳性系数。研发团队还将锻压机造型设计从原来的长方形，改为线条、外形流畅美观的橄榄型，巧妙安装两个对称工位，成倍提高工作效率。

按传统技术工艺，匹配流水线锻压机的加工能力，需配置4台单工位旋压机，费用高、功效低。“我们采用‘四维制造’技术，成功研制平衡对称的4工位新型旋压机，可节材75%，重量为传统装备的25%，价格为传统装备的25%，功效可提高4倍。”黄进说。

基于“四维制造”的技术与设计理念，德玛团队还将铣削机床从原来单臂悬伸式结构，改为双臂骑跨式设计，加工臂向机位两端延伸。德玛技术总监陈镇说，这样作业时两边铣削刀同时旋转，主轴中心落在中间点，加工产生的震动应力对冲抵消，有效保证设备运行的稳定性，大大减轻自重分量。

新技术的应用立竿见影。铣削机床的主轴箱原来有1吨重，现减为200公斤，节材率达80%；主轴转速原来最高为每分钟7000转，现增加到17000转；铣削深度从原来的2毫米猛增到8毫米，表面精度超过磨床，甚至研磨加工工艺达到11度。

智造赋能 产业升级高端化绿色化

生产车间采用自动化封闭式运行，沉重粗长的铝棒，被机械手轻轻抓起，精准放在切割台上，切割成一段段短树桩模样，经高温处理和锻压机碾压成扁圆状，接着多工位旋压机开始运行挤压，毛坯很快初显模样，随后进入全封闭铣削一体化加工中心，送到流水线终端时，一个个锃亮炫目，圆润精美的轮毂挂在成品架上……今年7月，投资10余亿元的德玛路威轮毂生产线开始试运行，这条凝聚着参与者无数心血的尖端科技“惊艳”亮相。

“与传统轮毂企业比较，‘四维制造’拥有全方位的技术优势。”路威轮毂总经理桑建国说，抚州生产线总投入10亿元左右，年产锻铝轮毂150万只。“若同样投资、同等规模的传统同行企业，需200亩地、10万平方米厂房，我们仅需20亩地、1万平方米厂房，相差10倍。传统装备需800至1000名操作工，我们仅需40至50名管理人员。”

“这条生产线上的每一台设备、每一道工序、每一条流程，包括每一个细微环节，我们团队都精心琢磨反复论证，力求尽善尽美。”黄进说。

在一次技术分析会上，有人提出，轮毂毛坯重量为25至30公斤，铣削加工夹具却重达200公斤，机器人还得两次翻夹，操作麻烦功效又低。董祥义提出，轮毂中间原来就有孔洞，可以作为工装夹具的依托，于是研发人员转换工艺流程，采用内撑式夹具固定轮毂，新夹具仅20公斤重，重量减轻了90%，可一次成型完成4只轮毂的车铣加工，全程仅需1分钟。新方案让轮毂铣削工效提高32倍，每台设备每年可节省电费300万元。

“我们还建立了原料选择、流程优化、数据监控、首检把关等严格完整的质量控制体系。”路威轮毂技术部长李政委说，每批次原材料入库，都要对其品相组织、化学合成、变形性能等材质参数，做超声波探伤与相关成分检测，从源头上保证产品质量。

作为业内小有名气的轮毂专家，桑建国20年前即进入轮毂行业，长期钻研汽车轮毂制造，亲身经历了汽车轮毂行业从钢质、铸铝到锻铝制造的快速迭代。

桑建国说，传统轮毂制造工艺由于铣削加工精度未能达到要求，需要增加机械或人工抛光打磨工序，在加工过程中产生大量铝粉尘，严重威胁工人健康。此外，铝灰严重污染环境，铝灰撒过之处“寸草不生”，后续治理十分困难。这样的生产工艺还存在严重的安全隐患，粉尘在空气中积累到一定程度，稍有不慎就会引发粉尘爆炸。采用“四维制造”的加工工艺，使轮毂表面光洁度呈现镜面抛光效果，可以直接喷涂料，解决了轮毂打磨的安全隐患。

北京科技大学教授苍大强认为，德玛“四维制造”技术及锻铝轮毂自动化生产线，具有国际前沿水准，其绿色节能环保生产工艺，不但适应汽车产业节减型低碳化、轻量化的发展方向，也符合国家高端制造业发展规划与政策导向。当下，我国加速推进制造业转型升级，德玛“四维制造”技术与锻铝轮毂生产线的问世，竖起了示范标杆。

中国宝武高级技师王军评价称，采用“四维制造”技术的锻铝轮毂装备与产品，其效率、性能、质量还有上升空间。但其锻铝轮毂连续制造技术，从传统点状离散式制造流程工艺，改造变革成为自动化连续化一条龙作业，这是了不起的创新之举。

引领未来 打造国际竞争核心能力

“墙内开花墙外香”。国外厂商早早看到了“四维制造”这项创新的重大价值。2019年间，德玛研发推出几台样机，将其放到国际工业设备展会上“投石问路”，不少厂商表现出浓厚兴趣。

德国某家全球知名机械设备制造商带队负责人当即表示：“这个产品非常棒，如果愿意贴上我们公司的品牌，我可以帮助贵方卖到全世界。”德玛工作人员回应：“等研发成功后，我们要打自己的独家品牌。”

黄进表示，话虽这样说，但绝不敢轻视德国的研发能力，在欧盟申请专利保护后，又特意向德国申报国际专利，“双重保险”来保护知识产权。

路威锻铝轮毂新生产线投产后，欧洲有位资深轮毂制造专家获此消息，专程赶到抚州路威生产现场，表达交流探讨的意愿。桑建国陪同外宾在流水线外面的走廊上转了一圈，这位专家感慨道：“这些年我跑了几十个国家，这样设计超前、技术先进的锻铝轮毂生产线，是第一次看到，这是中国式‘黑客制造’，相信路威产品在国际市场上一定会大受欢迎。”

路威新生产线试运行不久，韩国汽车工业委员会负责人也慕名赶来抚州，看到路威锻铝产品比传统铸铝轮毂竟然一下减轻40%的分量，直言这项技术突破把汽车轻量化提前了20年。

“汽车业作为高度全球化行业，若与国际化企业、跨国大公司深度合作，加入全球‘航母舰队’，有利于企业稳定发展，提升抗风浪能力，而国外大客商也在中国积极寻找有技术优势的匹配企业。”德玛公司市场总监王红晶说。

日本澳德巴克斯，是丰田旗下最大的全球汽车零部件采购商，早在2018年初，获悉德玛团队在研发新一代锻铝轮毂，就赶来宁波总部考察，很快双方签署了为期三年的合作协议，对方拟每年向路威采购3000万只锻铝轮毂，总值300亿元人民币。后因疫情打乱了计划，但澳德巴克斯始终关注着“四维制造”的研发进度。随着路威锻铝轮毂生产线即告完工，澳德巴克斯专家赶去抚州现场考察，今年3月与德玛路威又一次签订为期三年的新合作协议。

“目前轮毂产品销售，我们采取的是双轨制，以C端推B端。”桑建国说，首先面对的是替换市场，公司正在拟订“以旧换新”计划，即大量回收汽车存量市场的旧铸铝轮毂，以优惠价更换为新锻铝轮毂，该方案很受合作商赞同；其次是外贸出口，国外用户嗅觉灵敏，路威轮毂的质量、价格优势明显，需求量非常大。

“这条生产线的设计能力，为年产量150万只，可24小时无间断连续作业，生产效率为传统技术装备10倍。但目前订单太多，生产能力不足，我们正全力以赴安装建设第二、第三及第四条生产线，智能化水平、技术功能也更加完善强大。届时，仅抚州一个工厂，年产锻铝轮毂即可达700万只。”桑建国指着边上正在运转的生产线说。