◇今年7月，總投資逾10億元的路威輪轂生產線，在江西撫州試運行。這是國內外首條數字化連續化自動化的鍛造鋁輪轂生產線，標志著歷經8年研發攻關的德瑪“四維制造”項目成果進入產業化階段
　　◇“四維制造”是在傳統立體化疊加式的“三維制造”基礎上，運用力對沖與平衡原理，引入全新的力學考量維度，形成的“四維制造”工作法
　　◇從變革裝備、技術、工藝等著手，“四維制造”創新改造鍛壓機等傳統裝備，有效實現節能減排、綠色制造
　　◇以鍛鋁輪轂生產線為例，“四維制造”技術的系列裝備，均采用對稱一體化結構與模塊化生產，力與力矩對消近100%，可降低振幅75%，減少能耗80%，提高剛性度4倍、精度4個幾何級，生產效率提高10倍，性能、節能、環保等綜合效益可提升10倍

運用“四維制造”技術研發的4個工位旋壓機，節材75%，重量為傳統裝備的25%，價格為傳統裝備的25%，工效提高了4倍。圖為新型旋壓機在生產作業 黃瑞鵬 攝

　　輪轂是汽車輪胎內廓輪鋼通過立柱連接的輪芯旋轉部分，起著軸承、轉向、驅動、制動等作用，是汽車的重要部件之一。
　　今年7月，總投資逾10億元的路威輪轂生產線，在江西撫州試運行。作為“四維制造”項目示范工程，這條數字化連續化自動化的鍛造鋁輪轂生產線，標志著歷經8年研發攻關的德瑪“四維制造”項目成果進入產業化階段。
　　“四維制造”是在傳統立體化疊加式的“三維制造”基礎上，運用關于力對沖與平衡原理，引入全新的力學考量維度，形成的“四維制造”工作法。
　　德瑪公司總工程師和項目首席科學家李文龍說，“四維制造”技術以高端裝備、工業母機轉型迭代為研究方向，以汽車業節能減排和輕量化為精準切入目標，擺脫傳統思維與路徑依賴，實現了基礎理論和技術方法的突破。
　　當前，“四維制造”研發團隊已完成基礎理論論證、拓撲數據評估、首臺套設備生產、場景化仿真流水線組合等研發目標，先后在中國、美國、日本、歐盟等15個國家和地區，獲得125項國內外專利，包括58項發明專利。
　　創新提出“四維制造”工作法
　　“四維制造”項目的投資方，是寧波精益微型軸有限公司（以下簡稱“精益公司”）。這家以生產出口微型軸而出名的企業，數十年來累計生產微型軸100多億只（套），出口美歐日等30多個國家和地區，其投資研發的藍光智能節能窗，以超前理念，填補了多項國內外空白。
　　研發高端專用裝備，適應汽車輕量化發展趨勢。2010年，精益公司董事長董祥義在美國考察發現，汽車輕量化浪潮正在歐美日等發達國家和地區興起推廣，其中輪胎內廓的金屬部件輪轂，出現鍛鋁輪轂替代鋼質、鑄鋁輪轂的趨勢，而中國才剛剛起步。回國后，董祥義與公司管理層、技術經營團隊調研論證，于2015年初成立寧波德瑪智能機械有限公司，專注項目的科研攻關與裝備研發。
　　在考察國內多家汽車輪轂廠商后，德瑪團隊發現這些企業的裝備技術與制造工藝比較傳統，產品能耗高、生產流程零散、成本風險大，難以適應未來規模化產業化的應用推廣。為此，德瑪提出，借鑒精益微型軸、藍光節能窗的經驗，以研發高端專用裝備為先期突破口，走出獨特的智造轉型升級之路。
　　創新提出“四維制造”工作法，助力智造轉型升級。德瑪公司副總經理黃進說，鍛造合金鋁輪轂需要高效大功率的專用鍛壓機，在拆卸解剖原有裝備零部件時發現，萬噸鍛壓機真正受力點在立柱內的4根螺桿、8只螺帽上，依靠螺桿螺帽擰緊的力量，抵擋加工壓力，而且鍛壓機自身還得承受鍛造沖擊的反彈力。
　　在研究改進裝備結構時，董祥義提出取消四根立柱，運用力對沖與平衡理論，將鍛壓機設計為2個或4個工位的設想。當時團隊犯了難——關于引進牛頓力學維度的設想，在理論上能站得住腳嗎？
　　德瑪團隊請來專家教授、高級工程師論證發現，在機床裝備、工業母機研發領域，引入力對沖與平衡原理具有科學依據，從技術條件、實施路徑來講，我國現有裝備技術條件及數字化制造能力也足以支撐。經多方商討，最后將這一設想命名為“四維制造”工作法，在高端專業裝備及鍛鋁輪轂生產線方面展開攻關。
　　從變革裝備、技術、工藝等著手，“四維制造”創新改造鍛壓機等傳統裝備，有效實現節能減排、綠色制造。鍛造合金鋁輪轂需要高效大功率專用鍛壓機，李文龍將高達16米、重1000噸的立式鍛壓機翻轉著地，變成高僅2米、平躺臥式鍛壓機，實現鍛壓機四腳均衡受力，提高平穩性系數。
　　與此同時，團隊將鍛壓機造型設計，改為線條流暢、外形美觀的橄欖形，巧妙安裝兩個對稱工位，成倍提高作業效率。“傳統設備為長方形或正方形，應力薄弱環節較多，設備設計顯得笨重粗壯。現在我們對鍛壓機采用橢圓形或橄欖形，讓機器整體均勻受力，可大幅減少材料損耗與能量消耗。”李文龍說。
　　雙工位平躺臥式鍛壓機的工作量，相當于兩臺傳統鍛壓機工效。原機總重量達2000噸，而采用“四維制造”技術的新型鍛壓機，整個機身連同加固鋼圈總重量120噸，相當于原機重量的6%，抗壓強度提高了5倍。設備組合部件，從原來的200多個減為30多個，制造組裝更為便捷。
　　德瑪團隊曾邀請專業人士，評估“四維制造”技術的綜合功能與工效。以鍛鋁輪轂生產線為例，“四維制造”技術的系列裝備，均采用對稱一體化結構與模塊化生產，力與力矩對消近100%，可降低振幅75%，減少能耗80%，提高剛性度4倍、精度4個幾何級，生產效率提高10倍，性能、節能、環保等綜合效益可提升10倍。
　　把機床設備做精做細
　　按傳統技術工藝，匹配流水線鍛壓機的加工能力，需配置4臺單工位旋壓機，費用大、工效低。“我們采用‘四維制造’技術，成功研制平衡對稱的4工位新型旋壓機，可節材75%，價格相當于原設備的25%，工效提高了4倍。”黃進說。
　　新設備運行初期效果未能達到目標。研發人員請來中國寶武高級技師王軍與多位專家論證發現，新設備結構設計沒有問題，但工藝導向存在瑕疵、電機扭矩力不足。多位專家將原來主軸動力不足的普通電機更換為大功率電機，并在各工位安裝伺服電機驅動器，有效解決旋壓機的工效難題。
　　技術研發離不開產學研的大協作。近年來，德瑪整合各方資源，打造跨業界、學界的產學研共同體，涵蓋浙江大學、復旦大學、上海交大、西安交大、北京科技大學、天津大學等高校，中國一汽、中國一重、鞍鋼、寶武集團寶鋼股份、精達裝備、中國機械工程學會、中國機械智能裝備協會、中國智慧產業研究院等制造業頭部企業，以及行業權威機構的工程技術人員、研究人員。
　　汽車輪轂成品定型，由銑削環節完成。傳統銑削機床大多為單臂懸伸式結構，臂長50至100厘米，輪轂尺寸越大，懸伸臂越長，重心點越容易傾斜，為了設備穩定，自重需要達到一噸或兩三噸以上。德瑪技術總監陳鎮說，單懸臂重心傾斜系基礎性設備結構造成的，加工穩定性差導致主軸轉速無法提升，加上銑削進刀深度有限，產品表面精度只能達到7級，相當于半成品，后續還要打磨處理。
　　基于“四維制造”技術，德瑪團隊將銑削機床從原來單臂懸伸式結構，改為雙臂騎跨式設計，加工臂向機位兩端延伸。陳鎮說，這樣一來，兩邊銑削刀同時旋轉，主軸中心就落在中間點，加工產生的震動應力對沖抵消，有效保證設備運行的穩定性，還大大減輕自重分量。
　　新技術的應用，帶來了顯著成效。銑削機床的主軸箱原有1噸重，現減為200公斤，節材率達80%；主軸轉速原來最高為每分鐘7000轉，現增加到17000轉；銑削深度從原來的2毫米增加到8毫米，表面精度超過磨床，甚至研磨加工工藝達到11級。
　　如今，下線后的鍛鋁汽車輪轂無需打磨，可直接噴涂成為成品。經權威機構測算，采用“四維制造”技術的多刀頭銑削復合型加工中心，工效比傳統技術設備提高十余倍，產品質量、性能更為出色。
　　優化裝備體系和仿真生產線的同時，德瑪團隊還將注意力投入到生產流程中的每道工序、每個工裝器具等環節，提升技術含量與增值效益。
　　一次技術分析會上，有人提出，輪轂毛坯重量為25至30公斤，銑削加工夾具卻重達200公斤，機器人需要兩次翻夾倒騰，操作工效低。董祥義提出，輪轂中間原來就有孔洞，可以作為工裝夾具的依托，成為改進工裝器具的新思路。
　　一個小小的工裝器具改造，不僅提升了工作效率，還節約了成本。研發人員采用內撐式夾具固定輪轂，新夾具僅20公斤重，重量減輕了90%。內撐式夾具可以一次成型完成4只輪轂的車銑加工，全程只需一分鐘，平均每只加工時間15秒，而此前需要耗時4分鐘只能生產一只。新方案讓輪轂銑削工效提高32倍，每臺設備每年可節省電費300萬元。
　　寧波市經信局企業培育與合作處處長朱立富表示，我們積極扶持支持企業技改，去年幫助“四維制造”項目申請獲得了省級先進裝備首臺套優惠政策，現又在幫助德瑪技術團隊申報全國或國際先進裝備首臺套政策。
　　“力平衡、多工位柔性銑削工藝，效率高、精度高、成本低，符合低碳經濟、綠色制造與可持續發展的產業導向，廣受用戶歡迎好評。”寧波市智能制造專家委員會主任陳炳榮說，先進制造業首先應重視各類高端裝備、工業母機的基礎研究，把機床設備的設計制造與技術工藝，做精做細做到極致，夯實制造業基石。

國內外第一條采用“四維制造”技術，擁有完全自主知識產權，全自動連續化鍛鋁輪轂生產線，年產汽車輪轂150萬只。圖為全封閉綠色智能加工中心組列（2023年11月攝）黃瑞鵬 攝

　　推動“國之重器”創新迭代
　　先進制造業所依賴的高端機床，被稱為工業母機“國之重器”。中國是全球工業母機第一大生產國、進口國和消費國，但以往中國高端專用數控機床、關鍵零部件長期依賴進口。
　　在北京科技大學冶金與生態學院教授蒼大強看來，航天航空、遠洋船舶、核工業、汽車、高鐵、軍工、礦山及隧道盾構機等，都需要大型或超大型高精度智能化機械，目前還有不少依靠進口裝備與技術，亟待創新理論，開發全新的裝備技術。
　　多位業內專家認為，德瑪“四維制造”技術的基礎理論與核心技術，可廣泛應用于高端裝備“工業母機”及先進制造業領域，尤其對高精尖專用設備、高端機床行業具有引領作用。
　　一方面，創新突破基礎理論，為機械裝備設計制造注入“源頭活水”。蒼大強認為，德瑪“四維制造”的基礎理論創新在于其運用作用力與反作用力、偶數倍增原理，打破機械裝備設計制造的傳統認知，為高端裝備、工業母機的提升迭代和綠色轉型，提供新思路新途徑。
　　有數據顯示，德瑪臥式鍛壓機節材94%，工效提升5倍；銑削一體化機床節材80%，設備剛性提高了4倍，銑削精度提高4倍，而綜合能耗降低了50%，有的裝備甚至下降了80%。第三方機構評估顯示，德瑪鍛鋁輪轂示范生產線的節材節能、綠色環保、性能質量等綜合效益，比傳統技術裝備提高了10倍。
　　另一方面，推動技術的創新應用，為先進裝備研發和制造提供重要的技術支撐。中國鍛壓協會專家閻善武說，德瑪“四維制造”技術可應用于車、削、铇、銑等各種高端數控機床，也適用于特種加工機床、專業化加工中心。可以說，它將創新技術應用于高端產品的生產領域并作出實踐示范，既研發了先進裝備，又制造出過硬產品。
　　當前，智能化精準化輕量化，已經成為數控機床行業的大趨勢。
　　在德瑪路威生產線上，加工中心的多軸心多工位、車銑削一體化的數控機床配有4個工位、8個刀塔，4個主軸還帶16個副軸，運行穩定，無隙銜接。同時，表面加工精度超過磨床工藝，誤差僅0.2微米，相當人類發絲的2%。
　　浙江大學電氣工程學院教授呂征宇說，德瑪團隊引入拓撲學，建立數據仿真模型，通過數字化計算預控，將機器人融入整個生產場景，可以對流水線上各個工藝流程、技術環節，進行時空一體化跟蹤實時切換，體現智能制造轉型迭代的重要突破。
　　在撫州路威輪轂制造有限公司，德瑪路威輪轂生產線已經開始試運行。這是國內外第一條擁有完全自主知識產權，首次實現原坯切割、低溫鍛壓、旋壓造型及車銑削一次成型、數字化自動化的鍛鋁輪轂專用生產線，單件產品生產時間為15秒，年產汽車輪轂150萬只。
　　“相比同等投資規模的企業，路威在場地面積和用工成本上都具有顯著優勢。”撫州路威輪轂制造有限公司總經理桑建國說，這條生產線占地20畝，廠房面積1萬平方米，是同行企業的十分之一，年畝均稅收可達1000萬元。在用工成本上，傳統裝備需800至1000名操作工，路威只需40至50名管理人員。
　　未來，德瑪團隊將以新技術新設備助力各地產業園區、產業集群的提升轉型。黃進說，我們將通過技術合作、投資共建、設備租賃等方式，運用市場化方式建設“四維制造”技術小鎮，為中小微企業在模具設計、產品研發、成品出廠等環節，提供高效率、高性價比的一站式技術服務。
　　（《瞭望》2023年第47期）