锻造行业的发展新趋势

锻造行业发展的新趋势TheNewDevelopmentTrendoftheForgingIndustry•上海交通大学•王以华•ShanghaiJiaotongUniversity:WangYihua摘要本文列举大量事实论证了目前锻造行业发展的趋势为“六化”—锻件精密化，锻造材料轻量化，模具制造数字化，锻造设备智能化，锻造生产线自动化，锻造行业组合全球化。Abstract:Theessaydemonstratesthedevelopmenttrendofthedieforgingindustryasforgingpartssophistication,dieforgingmateriallightweight,diemanufacturingdigital,servolizeindieforgingequipment,forgingindustrycombinationglobalizationbyenumerating.关键词锻造行业发展趋势Keywords:forgingindustry,Development,Trend引言锻造是机械制造的基础工艺之一，是机械产品不可缺少的重要环节。在电站、冶金、机械装备、铁道、造船、航空航天、兵器、汽车、化工等部门中都占有很重要地位。尤其在飞机上约有85%、汽车上约有58%、农机上约有70%的零部件均采用锻压工艺制造。因为采用锻压工艺制造的零件不仅强度高、韧性好，而且节材、节能、成本低、适用于大批量生产。正如世界著名锻压权威，英国伯明翰大学T.A.Dean教授在人类进入21世纪之际撰文指出：欧洲的锻造者将是把欧洲带入21世纪提供高科技零件的源泉。目前，国内外锻造企业的发展趋势可以概括为“六化”：锻压企业发展六化•1.锻件精密化•2.锻造材料的轻量化•3.锻模加工数字化•4.锻压设备驱动智能化•5.锻造生产线自动化•6.锻压企业组合全球化1.锻件精密化1•整个锻造技术发展总体趋势是更精更省，达到不需机械加工或少许机械加工就可使用。•实现锻件精密化，要在精锻工艺上下功夫。因为与普通模锻相比，精锻件可降低成本60～70％，降低劳动成本95％。用精密模锻工艺制造出价廉物美产品，是各汽车制造商奋力拼搏的杀手锏。如丰田汽车厂属下有12家分厂，其中就有4家致力于精锻件的开发和生产。日本2009年冷锻件产量为77027t，占模锻件总量6.95%.美国伊顿公司年产精锻齿轮件100多万件，公差±0.03~0.05mm。1.锻件精密化2•近年来，国内在挤压成形、冷锻及温锻、粉末锻造等高效率、高质量、高精度、节能、节材工艺的应用发展很快。有代表性的锻造新技术是净形精密锻造，典型零件是齿形锻造和闭式锻造的汽车变速器零件。在锻造齿轮类零件方面众多厂家都在进行这方面的研究开发。下图为用于汽车和电器的部分精锻产品。用于汽车部分及电子部分的精锻产品1.1实现精密化的主要途径11.1.1冷温热锻的复合工艺•冷锻是在室温下成形的，锻件精度可达IT8～11；温锻是高于室温低于金属再结晶温度以下成形，一般在700～900℃锻造，此时，氧化皮厚度仅在10μm左右，精度可达IT11～14；热锻一般在金属再结晶温度以上成形，即在850～1250℃锻造，精度可达IT13～16。冷温热锻的综合成形性能、成本、精度见下表热锻、温锻、冷锻性能成本比较表成形工艺热温冷工件重量0.05-3210kg0.001-50kg0.001-30kg精度IT13-16IT11-14IT8-11表面质量Rz50-100μm30μm10μm流变应力（原材料）20-30%30-50%100%对数变形能力（原材料）φ≤6φ≤4φ≤1.6成形费（用德国机床制造协会文集1991）至113%100%至147%切削量多少很少1.1.1冷温热锻的复合工艺2•从表中可见，就材料的变形能力来看，热锻是冷锻将近4倍。为了使一些复杂件也能净形锻造，就要采用冷热结合或温冷组合工艺。上海保捷汽车零部件锻压公司的Valeo的轮毂就是采用这一工艺。原来韩国全是冷锻，21道工序，成本之高不难想象。该司采用温锻＋冷整形，仅用7道工序就达到韩国的要求。太平洋精锻公司原来设计也是单一的冷锻，近年来，也转向热锻或温锻＋冷整形。Valeo轮毂整形后的锻件实物温锻＋冷整形的锻件1.1.1冷温热锻的复合工艺3•上海纳铁福传动轴有限公司，在2000年花近1亿元引进德国SCHULER公司16MNForgemaster压力机，专用于外星轮、三销套温锻后冷整形精密生产线。经多工位温锻后得到的外星轮温锻件。但其杯部内腔的下半部为球形面和球沟槽，而上半部则是圆柱面和直沟槽。由图3可见，外星轮精锻件要求杯部内腔上下部分均为球面和球沟槽。为此，需要通过冷缩径精整，以达到外星轮精锻件的要求。温锻＋冷整形的外星轮等锻件外星轮温锻工步图左起1～5外星轮温锻工步图，6为冷整形锻件1.1.1冷温热锻的复合工艺3•外星轮的冷精整工艺：将外星轮温锻件抛丸后，再用半球形整体凸模冷精整锻件杯部内腔；接着用组合结构球形凸模（芯部为锥形芯棒，外层分割为6瓣）顶着锻件内腔杯底，将其强制通过带锥角的凹模。由于凹模对锻件上半部杯壁产生径向力作用，从而使杯壁金属产生径向塑性流动紧紧包住凸模上球面。当压力机到达下死点后，向上抽出锥形芯棒，6块分瓣球形凸模便向心收缩，于是，锻件的内腔脱离球形凸模的组合结构被取出。从图4可以看出，组合结构的球形凸模的设计、凹模锥角的优化以及温锻件杯部的几何参数，则是外星轮精密缩径的技术关键。外星轮精整模外星轮锻件放入模具完成冷缩径，组合冲头拔出1.1.1冷温热锻的复合工艺4•对外星轮冷精整后的锻件内球面和滚道仅需一道磨削加工，磨削余量0.3mm。2002年初投产，25件/分，年产300万件。几年来，经济效益凸现，现第二条精锻线也已建成投产。结合齿b)整体形式图1结合齿零件a)组合形式结合齿成形工步及其整形模左起1～4为4工位热锻制坯，左起第5为齿形精整结合齿成形工步及其整形模锻件局部放大组合整形模结合齿锻件全貌1.1.2等温模锻工艺1•等温锻造是指把模具加热到与坯料变形的相同或相近的温度，在较低速度变形过程中，使热毛坯和模具温度基本保持不变的锻造方法。等温模锻是60年代末发展起来的锻造新工艺，运用这一新工艺可以生产出净尺寸的产品。1972年，在美法理博城首次展出等温模锻件。美伊利诺斯州理工学院研究所的有关专家认为，等温锻造在锻造技术中堪称突破。1.1.2等温模锻工艺2•在普通压力机或锤上精化锻件时，由于模具的温度较低，工件肋或角隙部位易于冷却，再加变形速率较高，变形抗力明显增加，这些都会阻碍金属对模具型腔的充填。叶轮等温模锻件1.1.2等温模锻工艺3•上图所示是上海交通大学研制的叶轮等温模锻件。所锻叶轮叶片高宽比达到12：1。与同样材质的2A50（LD5）普通模锻件相比，强度增加20％，延伸率增加76％，完全满足40300转/分的要求。该叶轮等温模锻的模具装置示于下图。等温模锻件模具结构上机匣锻件实物照片MB15镁合金温度定为340℃～350℃飞机发动机的前风扇叶片（型号：RB211-524）a－普通模锻，耗材约25kg；b－精密模锻，耗材约15kga)b)材料TC4钛合金等温度950℃1.1.3半固态成形1•半固态金属加工技术就是金属在凝固过程中，通过剧烈搅拌或凝固过程的控制，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮固相组分近球形的固液混合浆料（固相组分甚至可高达60％）。这种半固态金属浆料具有流变和触变特性，即半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通方法成形形状比较复杂产品。1.1.3半固态成形2•基础研究阶段是从20世纪70年代开始，90年代后期，半固态加工技术进入了商业化的应用阶段。规模较大的有法国Pechiney,美国Alumax、意大利的Stampal、瑞士的Buhler。国外这些技术得到广泛应用，尤其是汽车工业和3C产业。相对而言，国内在半固态加工技术上还处于从实验室向试生产过渡阶段。•其它的精密成形方法还有超塑性成形、液态模锻、摆动碾压、径向锻造等等。半固态加工成形的汽车零件半固态加工的3C产品我国生产的半固态零件1.1.4可分凹模模锻可分凹模模锻是闭式模锻和开式模锻的综合，它既具有闭式模锻能减少甚至消除飞边金属损耗等主要优点，又具有开式模锻能模锻形状复杂的锻件的优点。通过分模模锻的锻件其纤维流线连续且无飞边，具有优秀抗应力腐蚀能力，综合力学性能提高30％，节材近50％。因此该技术可以广泛用于汽车、航空、航天、化工和人工关节等领域。1.1.4可分凹模模具图1.1.4可分凹模模锻荣威自动变速箱DCT倒档轴的分模精锻模具。普通开式模锻件重7.91kg（参见图1），而分模锻锻件重只有4.90kg，每件节材3.01kg,达38.1%，以年产20万件计，则可节材602吨，该种材料为20MnCrSH，不含税价8500元/吨，节约合600万元/年。这还不计节省机械加工等费用。节省了材料，也就是高耗能的炼钢少了，废气的排放也少了。1.1.4可分凹模模锻件用于闭塞锻造的模具利用连杆机构的闭塞锻造模架的结构图。让上下冲头以同样的速度进入静止的上下模膛的过程等同于把下冲头固定，上冲头和上下模以2：1的速度向下运动的一种相对运动的过程。连杆机构的闭塞模架就是利用这个原理，利用连杆机构得到滑块1/2的速度，中间垫板（图3-30的36）以该速度下降，安装在中间垫板上的模具也以同样的速度下降。要给冲头以不同的速度，只要调整连杆的长度即可实现。保捷汽车零部件锻压公司，每年锻件产量约5万吨，其中以15％锻件采用分模锻制造，可年节材达2500吨，可年节费1200万元。若推广到全国，我国2009年产模锻件479万吨，则仅年节材费用就可达数10亿元以上！1.1.5精锻厂纷纷建立1.1.5(1)上海保捷锻压公司投资2.75亿元从德国进口2条精锻生产线，日本进口1条生产线；现已建成台湾金丰1000t5工步轴类自动生产线。1000t5工步冷锻轴类模具（2）福达集团年产10万吨精锻件建成投产广西自治区推进的重大项目，投资8.3亿元，其中14000t双曲柄热模锻压力机为俄产，其它先进设备来自德国、美国、芬兰、日本及韩国。2.锻造材料轻量化1•可用于锻造的轻金属主要有铝合金、镁合金、钛合金及铜合金。近年来，由于能源价格的不断攀升，汽车制造业也提出轻量化的要求。一辆轿车的重量若减轻10％，油耗可降低8～10％。飞机和发动机质量每降低1kg，其使用费用通常可节约220～440美元/小时[1]。近年来，镁合金在世界上的需求量年增长率20％，而我国镁储藏量占世界70％。锻造镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能。但是，几十年来，镁合金的锻造产品仅用在很少的几个方面，主要原因是镁合金自身塑变特性决定其难于锻造成形，制造成本较高，产品价格昂贵，下图示出直升飞机上机匣镁合金锻件。等温模锻的镁合金直升机上机匣锻件实物照片2.锻造材料轻量化2•钛合金与其它结构材料比较，其最重要的优点是比强度高；热强性好，在400～500℃温度范围内，钛合金的比强度超过了多数不锈钢和抗氧化钢。耐腐蚀，如江南造船厂将钛丝吊在海水中一年，腐蚀仅0.01mm。因此，钛合金首先在航空航天、造船工业和人造关节中得到应用。世界上所生产的钛合金的60％用于航空航天工业，如美国F22战斗机钛合金的用量达到41％。由于价格等原因，民用客机波音-777中钛合金的用量还只有结构质量的7％。2.锻造材料轻量化3•尽管钛合金有很多优点，但因价格昂贵，限制了在汽车工业中的应用。值得关注的是，日本2008年一年汽车上用钛量是过去10年总和。大众汽车公司装配了一台全钛车体汽车，撘配了300ml气缸发动机，车重为290kg，1L柴油可跑100km的优良经济效率。到2006年，美国锻造企业总数为371家，其中专业锻造铝合金28家，占总数的7.5%;专业锻造钛合金21家,占总数的5.7%。锻造有色金属工厂比例远高于我国，目前，我国从事钛合金生产的专业工