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铝合金锻压技术的现状及发展


关键词: 铝合金；锻造；锻压；锻造技术；有色金属；

 

锻压生产是向国民经济各个工业行业提供机械零件毛坯的主要途径之一。锻压生产的优越性在于：它不但能获得机械零件的形状，而且能改善材料的内部组织，提供优良的力学性能。对于受力大、力学性能要求高的重要机械零件，多数采用锻压方法来制造。

铝合金具有密度小，比强度、比刚度高等一系列优点，已大量使用在各个工业部门，铝合金锻压件已成为各个工业部门机械零件必不可少的材料。特别是近十年来，随着科学技术的进步和国民经济的发展，对材料提出越来越高的要求，迫使铝合金锻件向大型整体化、高强高韧化、复杂精确化的方向发展，也大大促进了大中型液压机和锻环机的发展。

 

1. 我国铝合金锻压生产发展现状及水平

锻压生产在我国具有悠久的历史，3300多年以前的殷墟文化早期，锻压已用于兵器生产。但是，新中国成立前我国锻压生产还是十分落后。新中国成立后，锻压生产迅速发展，125MN以下的自由锻水压机、300MN模锻水压机、160kN以下的模锻锤、16000kN以下的摩擦压力机、8000 kN以下的热模锻压机已成系列装备了各锻压厂。但到目前为止，我国铝加工企业仅有300MN、100MN、60MN、50MN、30MN 9台大、中型铝锻压水（液）压机和1台100MN多向模压水压机及F 5m轧环机2台，铝锻件年生产能力仅为15kt左右，铝合金最大模锻件投影面积为2.5m2，最大长度为7m，最大宽度为3.5m，锻环最大直径5m，以及盘径为Φ534mm~Φ730mm的铝合金绞线盘和Φ600mm左右的汽车轮箍。产品品种相对较少，模锻件的比例较低，例如工业发达国家的模锻件已占全部锻件的80%左右，我国只占30%左右。国外模锻件的设计、模具制造已广泛引入计算机辅助设计技术，模锻CAD/CAM/CAE和模锻过程仿真已进入实用化阶段，而我国很多锻压厂在这方面才刚刚起步。工艺装备的自动化水平和工艺技术水平也相对落后。

目前，我国铝合金锻压工业，无论在技术装备上，模具设计与制造上、产品产量与规模上、生产效率与批量化生产上、产品质量与效益等方面已经取得了很大进步，已经建立了具有我国特色的铝合金锻造体系，基本能满足我国国民经济发展的需要。但是，与国外先进水平存在一定差距，还不能满足国内外市场对铝合金锻件日益增长的需求和交通运输（如飞机、汽车、高速火车、轮船等）轻量化要求（以铝锻件代替钢锻件）的步伐。为此，我国应集中人力、物力和财力，尽快提高我国铝合金锻压生产的工艺装备水平和生产工艺水平，并尽快新建若干条大中型现代化铝合金锻压生产线，以尽快缩小与国外先进水平的差距，最大程度满足国内外市场的需求。可喜的是，随着我国大飞机项目及其他大型重点项目的实施，正在建造200MN重型卧式挤压机和450MN、800MN立式模锻液压机（参见图1），将大大的提升我国的锻压装备水平，促进我国向世界铝合金锻压大国和强国迈进。

                                               


2. 我国铝合金锻压技术与国际先进水平的主要差距

目前，我国规模最大、装备最先进、品种最齐全的铝合金锻压企业应数西南铝加工厂，拥有世界级的300MN模锻水压机，100MN多向模锻水压机和60MN锻造水压机及配套齐全的辅助设备以及切边、矫直、锯切机加、制模和检测设备等，是一个专为航空航天等部门提供高质量铝合金锻件和模锻件的工厂。美国是目前世界上铝合金锻压生产和技术最发达的国家之一，美铝公司下属的克利弗兰锻造厂是其最具代表性的铝合金锻压企业，拥有30，40，80，150，350，500MN等多台锻压水压机；7~10，13，16，20，25~30，40~60MN等机械压力机及6、8、18、36、110、150 MN锻锤以及配套齐全的辅助设备和公共设施。下面以这两个工厂为代表，对我国铝锻压技术与国际先进水平进行对比分析。主要差距为下：

1）规模产能、品种和质量方面

从总体来看，克利弗兰锻造厂的规模比西南铝要大得多，品种更多，规格更大，用途更广泛，生产效率和产品质量更高。因此，经济效益会更好。

2）生产技术方面

（1）锻造制坯

模锻所需的坯料是通过自由锻造制备，影响自由锻造制坯技术的主要因素是锻造机的装机水平和锻工的操作技术。美铝公司锻造制坯主要在30MN锻造水压机上完成。这台设备小巧灵活，工作台上有一个主模座和多个辅助模座，适用于坯料锻打、旋转和翻滚；有锻造操作机。由于锻造坯料的形状往往比较复杂，需要反复的镦粗、压扁、拔长，坯料在工作台上频繁移动和翻滚，因此这种锻造设备非常适合，且具有操作方便、安全、省力、劳动效率高，锻坯质量好等优点。西南铝加工厂锻造制坯是在60MN锻造水压机上完成的。设备能力大（实际上每道次的锻压力很小），不灵活。虽配有有轨锻造车，但由于水压机工作台上只有一个主模座，坯料的移动与翻滚仍然很不方便，需要多名锻造工人配合完成。这既费力费时，又不安全，劳动效率低下，锻坯质量粗糙。

（2）模锻成形

与美铝公司相比，模锻工序的主要差距是装卸料的机械化和润滑技术。坯料的出炉、装模与出模，美铝公司均采用无轨操作车（即装卸料机械手），只有模具的装卸才采用天车。而西南铝加工厂采用天车装卸料，水压机每模压一个料，需要开动水压机移动工作台一次，台班生产效率低下。例如，用300MN级模锻水压机生产投影面积为0.5mm2的铝模锻件，美铝公司平均每小时可模锻12件，西南铝平均6件，效率差50%。另一个致命弱点是，由于频繁开动工作台，加速工作台和控制阀的磨损，使设备故障频繁，大大降低了设备的有效工作时间，也使成本大幅上升。

为了改善金属在锻模模膛中的流动性能和防止金属粘模，铝模锻时必须进行润滑。由于润滑技术直接影响到模锻件的内在质量、外表质量及生产效率，因此世界各国非常重视润滑技术（包括润滑剂和润滑方式）的研究。与美铝公司相比，除润滑剂的种类比较单调（铝模锻采用石墨加矿物油的混合物）外，润滑方式十分落后。西南铝加工厂目前仍然采用传统的涂刷方式，国外早已采用喷涂方式。涂刷方式的最大缺点是模膛润滑不均匀，特别是窄而深的模膛，不是没有润滑剂，就是润滑剂存积太多，导致粘模严重和材料成形差。美铝公司锻造厂建立了集中润滑站，向几台模锻水压机机台提供高压润滑剂。润滑工只要将喷枪与机台上的润滑剂管相连接即可使用。这样既保证了润滑的质量，又便于操作和管理，使工作现场免受油污污染。

（3）模具设计与制造

模具的设计、制造与使用水平直接影响新产品开发速度、产品质量、节能降耗以及劳动生产效率。因此引起发达工业国家的高度重视。我国铝模锻品种开发缓慢的重要原因之一便是模具的设计与制造技术落后，生产周期长。

美铝公司非常重视锻模的设计与制造。公司的技术中心（位于Pittsbugh）专门有一个部门和专业人员从事计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）。而国内锻模设计（CAD）尚未普及，仅在轴对称回转体锻模上应用。至于CAM的用户则更少，尚在起步阶段，西南铝加工厂也一样。模具的设计需要不断积累生产实践经验，所以即使是大学毕业生，也需要经过多年的努力，才能具有独立设计比较复杂模具的能力。而CAD的专家系统，积累了许多设计专家丰富的实践经验，模具设计者可以利用它们进行高质量高效率的设计工作。设计的模具准确度高，时间短，这就大大加快了产品开发步伐。

另外，锻模材料国内主要采用5CrNiMo和5CrMnMo，这些材料的耐热性差，寿命低。而美国多采用H13（4Cr5MoSiV1），这种钢在500C时红硬性好，冲击韧性高，水冷时不裂，寿命长。

（4）检测技术与装备

航空模锻件多是受力结构件，内部质量要求高，往往要经过水浸超声波检测。美铝公司装备有大型水浸超声波检测设备，自动化程度很高。大型水槽上安装有自动升降式载物台和自动扫描仪。检测工将被测工件装卡在载物台上，调整好扫描仪，将载物台降至水面以下，即可进行自动检测了。而西南铝加工厂虽有水浸探伤装置，但均是手工操作，工作效率低。

萤光渗透检测，也是铝合金模锻件在加工过程中的重要及有效检测手段，能检测锻件表面易形成折迭和裂纹等缺陷。通常，在铝模锻件的表面缺陷，打磨后对光线形成漫反射，检验工用肉眼或放大镜已无法判断缺陷是否清除掉，这就需要进行萤光渗透检测。美铝公司装备有这样的设备，而西南铝加工厂目前还没有这样的设备。成品检验时，该厂采用的是反复蚀洗的办法，就是将清理过的锻件又装框吊入碱槽、酸槽和水槽中蚀洗，以消除缺陷部位的漫反射效果，再检查。这样做工人劳动强度大，效率低，且易碰伤锻件表面。

从以上分析来看，不仅在总体上，还是在技术层面上，我国的铝合金锻压生产与技术水平仍落后于国际先进水平。目前，我国已成为铝合金锻压大国，但还不是强国。为早日超越世界先进水平，成为真正的铝合金锻压大国和强国，我们还有许多工作要做。

 

3. 我国铝合金锻压生产与技术的发展方向

经过几十年的努力，我国铝合金锻压生产与技术有了突飞猛进的发展，已形成完整的铝合金锻压生产体系，基本上能满足国民经济和国防建设的需要。但是，铝合金锻压生产与轧制和挤压生产来说，仍然规模很小，占铝材比例很低（2%~3%）。随着社会经济文明和安全的进步，特别是节能环保对轻量化的要求，铝合金锻压生产及优质锻件远远不能满足社会发展的需求。为了适应这种发展趋势，大力发展铝合金锻压生产及其技术是当务之急。今后，我们的发展方向是：

1）扩大规模、增大产能，增加品种和扩展铝合金锻件的应用领域；

2）设计和制造更多大型、高速的多功能锻压设备，组建若干条大型、先进、多用途的铝合金锻压生产线；

3）提高锻压件质量，满足进一步发展的国民经济及国防军工需求；

4）研发和应用新技术、新工艺、新材料和新设备，不断提高铝合金锻压生产的技术含量，以达到高效、高产、优质、低成本、高效益以及节能、环保、安全的目的。

（1）提高锻压件的内在质量、提高性价比、提高铝合金锻压件的竞争力，即提高铝合金锻件的力学性能（强度、塑性、韧性、疲劳强度）和可靠度。这需要更好地应用金属塑性变形的理论；应用内在质量更好的材料，如研发新合金、熔铸优质坯料；精确进行锻前加热、锻造及热处理；更严格和更广泛地对锻压件进行无损探伤等。

（2）先进省力锻造工艺的研发、节能降耗、改善环保条件。研发高效锻造工艺一直是研究人员热衷的一个研究领域。目前省力的途径主要有：减少拘束系数，实际生产中常用分流的办法来减少变形抗力；减少流变应力的方法，实际生产中的超塑性成形和液态模锻均属于这种方法；减少接触面积；研发新的锻压方法；减少摩擦阻力，采用新型润滑剂。

（3）精密锻造成形工艺的研发与应用。锻件不需要再进行机械加工就能满足公差要求，目前已经能将锻件精度控制在0.01-0.05mm以内。净成形和近净终形锻造均属于这类方法。少无切削加工是机械工业提高材料利用率、提高劳动生产率和降低能源消耗的最重要的措施和方向。

（4）锻造工程的信息化、自动化和管理现代化。在锻造过程中推广和应用CAD、CAE、CAM和CAD/CAE/CAM一体化技术，实现锻造全过程的虚拟生产、工模具设计与制造的自动化、锻造后锻件组织性能预测与缺陷预测，人工智能、神经元网络和专家系统实现锻造过程在线质量检测与在线控制。实现锻造工艺过程、生产过程的信息管理，将有效的提升生产过程的效率。

（5）微成形技术的研发与应用。通常指零件变形小于0.5mm的变形，这类变形所用材料晶格尺寸没发生多大变化。目前随着微电子工业的快速发展，对微成形技术的需求也越来越大。但微成形技术的一个难点就在于其尺寸效应。

（6）环境友好成形技术的研究开发及应用。锻造过程的绿色化、无害化，减少环境危害，同时锻造过程节约能源，促进节能减排，推广环境友好的成形工艺。

 

主要参考文献

[1]       谢水生，李强，周六如，锻压工艺及应用，国防工业出版社，2011.1

[2]       刘静安、张宏伟、谢水生，铝合金锻造生产技术，冶金工业出版社，2012.6

[3]       刘静安，谢水生，铝合金材料应用与开发，冶金工业出版社，2011.6

[4]       谢水生、刘静安，应用前景广阔的有色金属锻造，锻造与冲压，2010年，第一期

[5]       谢水生，李兴刚，王浩、张莹，金属半固态加工技术，冶金工业出版社，2012.6

[6]       刘静安，铝合金锻压生产的发展现状及锻件的应用前景，轻合金加工技术，2009，No.9

[7]       马鸣图，游江海，半固态成形铝合金车轮工艺探讨[J] .中国铝业，2009（2）：29-40

[8]       肖亚庆、谢水生、刘静安等编著，铝加工实用技术手册，冶金工业出版社，2005

[9]       张  翥，谢水生，钛材塑性加工技术，冶金工业出版社，2010.6

[10]   曾苏民，世界锻造工业的现状与发展前景，铝加工，1996，No.4

[11]   郑廷顺等，赴美考察锻压生产技术报告，铝加工，1993，No.1

[12]   中国锻压协会编，锻压生产技术丛书：特殊合金及其锻压，国防工业出版社，2009

[13]   中国锻压协会编，锻压生产技术丛书：锻造模具与润滑，国防工业出版社，2010

 

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