吕征宇

今年7月，总投资10多亿元的路威轮毂生产线在江西抚州试运行。这是国内外首条数字化、连续化、自动化锻造铝轮毂生产线，标志着马德“四维制造”项目成果历经8年研发，进入产业化阶段。

“四维制造”是在传统的三维叠加“三维制造”的基础上，运用力对冲和平衡原理，引入全新的力学考虑维度的一种“四维制造”的工作方法。

“四维制造”从设备、工艺、技术的改造入手，创新改造锻压机等传统设备，有效实现节能减排和绿色制造。

以铝轮毂生产线为例，“四维制造”技术的系列设备全部采用对称一体化结构和模块化生产，可将力和扭矩取消近100%，振幅降低75%，能耗降低80%，刚性提高4倍，精度提高4个几何级，生产效率提高10倍，性能、节能、环保综合效益提高10倍。

文|《瞭望》《新闻周刊》记者于雪陈艳

轮毂是汽车轮胎内轮廓车轮钢轮芯的转动部分，起着承载、转向、驱动和制动的作用，是汽车的重要部件之一。

今年7月，总投资10多亿元的路威轮毂生产线在江西抚州试运行。作为“四维制造”项目的示范工程，这条锻造铝轮毂数字化连续自动化生产线标志着马德“四维制造”项目成果经过8年的研发，已经进入产业化阶段。

“四维制造”是在传统的三维叠加“三维制造”的基础上，运用力对冲和平衡原理，引入全新的力学考虑维度的一种“四维制造”的工作方法。

马德公司总工程师、项目科学家李文龙表示，“四维制造”技术以高端装备和工业机床的改造迭代为研究方向，以汽车产业的节能减排和轻量化为精准切入目标，摆脱传统思维和路径依赖，实现基础理论和技术方法的突破。

目前，“四维制造”R&D团队已完成基础理论论证、拓扑数据评估、第一套设备生产、场景模拟流水线组装等R&D目标，先后在中、美、日、欧盟等15个国家和地区获得国内外专利125项，其中发明专利58项。

利用“四维制造”技术开发的四工位旋压机，节省了75%的材料，重量是传统设备的25%，成本是传统设备的25%，工作效率提高了4倍。图为生产中的新型纺纱机。黄瑞鹏摄

创新性地提出了“四维制造”的工作法

“四维制造”项目投资方为宁波精益微轴股份有限公司(以下简称“精益公司”)。这家以生产和出口微型轴闻名的企业，几十年来生产微型轴100多亿根(套)，出口到美国、欧洲、日本等30多个国家和地区。其投资研发的蓝光智能节能窗，以先进的理念填补了国内外多项空空白。

发展高端专用设备，适应汽车轻量化发展趋势。2010年，精益公司董事长董祥义访美，发现汽车轻量化浪潮正在欧美日等发达国家和地区兴起和蔓延。其中，锻铝轮毂有取代钢制和铸铝轮毂的趋势，而我国才刚刚起步。回国后，董祥义于2015年初成立了宁波马德智能机械有限公司，专注于该项目的科学研究和设备研发。

马德团队在调研了国内多家汽车轮毂生产企业后发现，这些企业的装备技术和制造工艺相对传统，能耗高、生产流程分散、成本风险大，难以适应未来大规模产业化的应用和推广。为此，马德提出借鉴精益微轴和蓝光节能窗的经验，以高端专用设备的研发为早期突破口，走出一条独具特色的智造转型升级之路。

创新提出“四维制造”工作法，助力智造转型升级。马德公司副总经理秦煌说，锻造合金铝轮毂需要高效大功率的专用锻压机。在拆解解剖原设备零件时发现，万吨锻压机的真正受力点在立柱中的四个螺钉和八个螺母上，依靠螺钉和螺母的拧紧力来抵抗加工压力，锻压机本身还要承受锻造冲击的反弹力。

董祥义在研究改进设备结构时，利用力对冲平衡理论，提出了取消四柱，将锻压机设计成两个或四个工位的设想。当时团队犯了一个错误——引入牛顿力学维度的想法在理论上能成立吗？

马德团队邀请专家、教授、高级工程师论证力对冲平衡原理的引入在机床设备和工业母机研发领域有科学依据。从技术条件和实现路径来看，我国现有的装备技术条件和数字化制造能力也足以支撑。经过多次讨论，最终将该思路命名为“四维制造”工作法，在高端专业设备和锻造铝轮毂生产线上进行研究。

“四维制造”从设备、工艺、技术的改造入手，对锻压机等传统设备进行创新改造，有效实现了节能减排和绿色制造。锻造合金铝轮毂需要高效大功率的专用锻压机。在李文龙，一台高16米、重1000吨的立式锻压机落地，变成了高度只有2米的卧式锻压机，实现了锻压机四条腿受力均衡，提高了稳定系数。

同时，团队将锻压机的造型设计改为线条流畅、外形美观的橄榄形，并巧妙地安装了两个对称工位，使工作效率翻倍。“传统设备呈长方形或正方形，受力薄弱环节多，设备设计笨重厚重。现在我们对锻压机采用椭圆形或橄榄形，这样整机受力均匀，可以大大减少材料损耗和能耗。”李文龙说。

双工位卧式锻压机的工作量相当于两台传统锻压机的效率。原机总重2000吨，而采用“四维制造”技术的新型锻压机总重120吨，相当于原机重量的6%，抗压强度提高了5倍。设备组装零件从200多个减少到30多个，制造和组装更加方便。

马德团队邀请专业人士对“四维制造”技术的综合功能和人体工程学进行评估。以铝轮毂生产线为例，“四维制造”技术的系列设备全部采用对称一体化结构和模块化生产，可将力和扭矩取消近100%，振幅降低75%，能耗降低80%，刚性提高4倍，精度提高4个几何级，生产效率提高10倍，性能、节能、环保综合效益提高10倍。

把机床设备做精做细。

按照传统工艺，需要4台单工位旋压机来匹配流水线锻压机的加工能力，成本高，效率低。“我们采用‘四维制造’技术，成功研制出平衡对称的4工位新型旋压机，可节省75%的材料，价格相当于原设备的25%，工作效率提高了4倍。”秦煌说。

新设备的初步效果没有达到目标。R&D人员请来了中国宝武高级技师王军，与多位专家论证，新设备结构设计没有问题，只是工艺方向有瑕疵，电机扭矩不够。多位专家将锭子功率不足的普通电机换成大功率电机，并在各工位安装伺服电机驱动器，有效解决了纺纱机的人机工程问题。

技术研发离不开产学研的大合作。近年来，马德整合各种资源，构建跨行业、学术性的产学研共同体，覆盖浙江大学、复旦大学、上海交通大学、Xi交通大学、北京科技大学、天津大学等高校，中国一汽、中国钟毅、鞍钢、宝武集团宝钢、精达装备、中国机械工程学会、中国机械智能装备协会、中国智慧产业研究院等制造业头部企业，以及行业主管部门的工程技术人员和研究。

成品汽车轮毂的成型是通过铣削完成的。传统的铣床大多是单臂悬臂结构，臂长为50至100厘米。轮毂尺寸越大，悬臂越长，重心越容易倾斜。为了稳定设备，自重需要达到一吨或者两三吨以上。马德技术总监陈震表示，单悬臂重心倾斜是基础设备结构造成的，加工稳定性差，无法提高主轴转速。再加上铣削进给深度有限，所以产品的表面精度只能达到7级，相当于半成品，后期还得打磨。

基于“四维制造”技术，马德团队将铣床由原来的悬臂结构改为双臂跨骑式设计，加工臂延伸至机座两端。陈震说，这样两边的铣刀同时旋转，主轴的中心落在中点，使加工产生的振动应力抵消，有效保证了设备运行的稳定性，大大降低了自重分量。

新技术的应用带来了显著的效果。铣床主轴箱从1吨减少到200公斤，节材率80%。主轴转速原来是7000转，现在提高到17000转。铣削深度从2 mm增加到8 mm，表面精度超越磨床，甚至磨削工艺达到11级。

现在的锻造铝汽车轮毂可以直接喷涂成成品，不需要打磨。据权威机构测算，采用“四维制造”技术的多刀铣削复合加工中心的工作效率比传统技术设备高十几倍，产品质量和性能更好。

在优化设备系统和模拟生产线的同时，马德团队还关注生产过程中的每一道工序和每一个夹具，以提高技术含量和增值效益。

在一次技术分析会上，有人提出，轮毂毛坯重25到30公斤，但铣夹具重200公斤，机器人需要把夹子倒过来两次，操作效率低。董祥义指出，轮毂中间有一个孔，可以作为夹具的支撑，成为改进夹具的新思路。

工装小小的改造，不仅提高了工作效率，还节约了成本。R&D人员使用内部支撑夹具来固定轮毂。新夹具仅重20千克，重量减少了90%。内支撑夹具可以一次完成四个车轮的车铣加工，整个过程只需要一分钟，每个车轮平均加工时间为15秒，而只生产一个车轮需要4分钟。新方案可提高轮毂铣削效率32倍，每台设备每年可节电300万元。

宁波市经信局企业培育协作处处长朱立富说，我们积极支持企业技术改造。去年，我们帮助“四维制造”项目申请了第一套省级先进设备的优惠政策，现在我们正在帮助马德技术团队申报第一套国家或国际先进设备的政策。

“力平衡多工位柔性铣削工艺效率高、精度高、成本低，符合低碳经济、绿色制造、可持续发展的产业导向，广受用户欢迎和好评。”宁波市智能制造专家委员会主任陈表示，先进制造业首先要重视各类高端装备和工业机床的基础研究，把机床装备的设计、制造和工艺流程做到极致，夯实制造业的基石。

采用“四维制造”技术、拥有完全自主知识产权的国内外首条全自动连续锻造铝轮毂生产线，年产汽车轮毂150万只。图为全封闭绿色智能加工中心(2023年11月摄)。黄瑞鹏摄。

推动“国之重器”的创新迭代

先进制造业所依赖的高端机床作为工业母机，被称为“国之重器”。中国是世界上最大的工业机床生产国、进口国和消费国，但在过去，中国长期依赖进口高端数控机床和关键零部件。

在北京科技大学冶金与生态学院教授仓大强看来，航空航天空、远洋船舶、核工业、汽车、高铁、军工、矿山、隧道盾构机都需要大型或超大型的高精度智能机械。目前，它们中的许多依赖于进口设备和技术，迫切需要创新理论，开发全新的设备和技术。

不少业内专家认为，马德“四维制造”技术的基础理论和核心技术可广泛应用于高端装备“工业母机”和先进制造领域，尤其是高精专用设备和高端机床行业。

一方面，创新突破基础理论，为机械设备的设计制造注入“源头活水”。仓大强认为，马德“四维制造”的基础理论创新在于其对作用力与反作用力乃至乘法原理的运用，打破了机械设备设计制造的传统认知，为高端装备和工业母机的升级迭代和绿色转型提供了新思路和新途径。

据统计，马德卧式锻压机节约材料94%，提高工效5倍。铣削一体化机床节省材料80%，设备刚性提高4倍，铣削精度提高4倍，综合能耗降低50%，有的设备甚至下降80%。第三方机构评估显示，马德锻压铝轮毂示范生产线的节材、节能、环保、性能、质量等综合效益比传统技术装备高出10倍。

另一方面促进了技术的创新应用，为先进装备的研发和制造提供了重要的技术支撑。中国锻造协会专家严表示，马德的“四维制造”技术可应用于车、切、钹、铣等各种高端数控机床，也可应用于特种加工机床和专用加工中心。可以说是将创新技术应用于高端产品的生产领域并进行实践示范，不仅开发出了先进的设备，还生产出了优秀的产品。

目前，智能化、精确化和轻量化已经成为数控机床行业的一大趋势。

在Demaluway生产线上，加工中心多轴多工位、车铣一体化数控机床配备了4个工位、8个刀塔、4个主轴带16个副轴，运行稳定，无间隙连接。同时，表面加工精度超过磨床，误差仅为0.2微米，相当于人发的2%。

浙江大学电气学院教授吕表示，马德团队引入拓扑学，建立数据仿真模型，通过数字化计算和预控，将机器人融入整个生产场景，能够实时空跟踪和切换流水线上的每个工艺流程和技术环节，体现了智能制造迭代转型的重要突破。

在福州鲁威轮毂制造有限公司，马德鲁威轮毂生产线已经开始试运行。这是国内外第一条具有完全自主知识产权的锻造铝轮毂专用生产线，实现了切坯、低温锻造、旋压、铣削的一次成型和数字化自动化。单品生产时间15秒，汽车轮毂年产量150万只。

“与同等投资规模的企业相比，鲁威在场地面积和人力成本上具有显著优势。”福州路威轮毂制造有限公司总经理桑建国说，这条生产线占地20亩，车间面积10000平方米，是同行企业的十分之一，年平均每亩税收可达1000万元。在人力成本上，传统设备需要800到1000名操作人员，而Flux只需要40到50名管理人员。

未来，马德团队将用新技术和新设备帮助升级和改造工业园区和产业集群。秦煌表示，我们将通过技术合作、投资、设备租赁等方式，打造“四维制造”科技小镇，为中小企业提供模具设计、产品研发、成品交付等高效率、高性价比的一站式技术服务。■