铝合金锻压生产技术及锻件的应用开发

摘要:全面介绍了铝合金锻压生产在国民经济中的重要地位、生产现状及发展水平,分析了锻件的市场需求及应用前景,建议我国抓紧建设几条大中型铝合金锻压生产线,这对国民经济的高速持续发展和国防军工现代化有要的意义。

关键词:铝合金锻压生产;大中型铝合金锻件;生产技术;发展水平;应用开发;飞机铝锻件;汽车铝轮毂

1     锻压生产在国民经济中的重要地位锻压生产是向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,提高其力学性能。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。锻压件占飞机质量的80%,占坦克质量的70% ,占汽车质量的60% ,电力工业中水轮机主轴、透平叶轮、转子、护环等均是锻压而成。由此可见,锻压生产在工业行业中占有极重要的地位。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。凡是用低碳钢可以锻出的各种锻件,都可以用铝合金锻造生产。铝合金可以在锻锤、机械压力机、液压机、顶锻机、扩孔机等多种锻造设备上锻造,可以自由锻、模锻、轧锻、顶锻、辊锻和扩孔。一般来说,尺寸小、形状简单、偏差要求不严的铝锻件,可以很容易地在锤上锻造出来,但是对于规格大、要求剧烈变形的铝锻件,则宜选用水(液)压机来锻造。对于大型复杂的整体结构的铝锻件则非采用大型模锻液压机来生产不可。对于大型精密环形件则宜用精密轧环机轧锻。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、高强高化、复杂精密化的方向发展,大大促进了大中型液压机和锻环机的发展。
      随着我国交通运输业向现代化、高速化方向发展,交通运输工具的轻量化要求日趋强烈,以铝代钢的呼声越来越大,特别是轻量化程度要求高的飞机、航天器、铁道车辆、地下铁道、高速列车、货运车、汽车、舰艇、船舶、火炮、坦克以及机械设备等重要受力部件和结构件,近几年来大量使用铝及铝合金锻件和模锻件以替代原来的钢结构件,如飞机结构件几乎全部采用铝合金模锻件。汽车(特别是重型汽车和大中型客车)轮毂、保险杠、底座大梁,坦克的负重轮,炮台机架,直升机的动环和不动环,火车的气缸和活塞裙,木工机械机身,纺织机械的机座、轨道和绞线盘等等都已应用铝合金模锻件来制造。而且,这些趋势正在大幅度增长,甚至某些铝合金铸件也开始采用铝合金模锻件来代替。目前,世界上大型锻压液压机为数不多,中国更是寥寥无几,随着国防工业的现代化和民用工业特别是交通运输业的发展,铝合金模锻件的品种和产量不仅不能满足国内市场的需要,国际市场也有很大缺口。因此,我国抓紧建设几条大、中型铝合金锻压生产线是十分必要的,这对国民经济的高速发展
和国防军工现代化有重要的意义。
2 铝合金锻压件的特性及应用领域
2.1 铝合金锻压件的特性
        ①密度小,铝合金的密度只有钢锻件的34% ,铜锻件的30% ,是轻量化的理想材料;
② 比强度大、比刚度大、比弹性模量大、疲劳强度高,宜用于轻量化要求高的关键受力部件,其综合性能远远高于其他材料的;
③ 内部组织细密、均匀、无缺陷,其可靠性远远高于铝合金铸件和压铸件,也高于其他材料铸件的;
④铝合金的塑性好,可加工成各种形状复杂的高精度锻件,机械加工余量小,仅为铝合金拉伸厚板加工余量20%左右,大大节省工时和成本;
⑤铝锻件具有良好的耐蚀性、导热性和非磁性,这是钢锻件无法比拟的;
⑥表面光洁、美观,表面处理性能良好,美观耐用。可见,铝锻件具有一系列优良特征,为铝锻件代替钢、铜、镁、木材和塑料提供了良好条件。
2.2 铝合金锻件的应用领域
近几年来,由于铝材成本下降、性能提高、品种规格扩大,其应用领域越来越大。主要用于航天航空、交通运输、汽车、船舶、能源动力、电子通讯、石油化工、冶金矿山、机械电器等领域。3 铝合金锻压生产技术与发展水平

3.1 国外发展状况与水平分析
       锻件生产是一个很古老的行业,但铝合金锻件的大量生产应用是从1950年代开始的。经过几十年的现代化改造,无论在工业装备上、模具设计和制造上、生产工艺和技术上,还是在产品品种规格、生产规模和质量等方面都得到飞速发展,尤其是美国、俄罗斯、德国、日本、法国、意大利、捷克、奥地利、瑞士等国的锻压生产的发展达到了相当高的水平。目前,全世界有锻压厂上千家、锻压机数千台,年产锻件近500万t/a。其中,铝合金模锻件30万t/a左右(年消耗近50万t/a)。全球有大小水(液)压机500余台,其中100 MN以上的大型水(液)压机10余台。300 MN以上的重型锻压机的分布情况是:俄罗斯4台,其中一台是750 MN,为世界之最;美国5台(其中包括2台450 MN);法国1台,为650 MN;德国2台;中国1台(并正在建设和制造450 MN和800 MN巨型模锻液压机);罗马尼亚1台;英国1台。这些大型水(液)压机的主要特点是结构紧凑、功能多、自动化程度高、配备有操作机和快速换模装置、平面配置合理、有利于连续作业、生产效率高。此外随着铝合金模锻件大型化、精密化程度提高,大型精密多向模锻液压机日益受到重视,各国已拥有多台大型多向模压液压机,其中美国3台,最大为300 MN;法国l台为650 MN;英国1台为300 MN;中国1台为100MN,俄罗斯2台为200 MN和500 MN;德国1台为350 MN。多向模锻机属于精密锻压设备,配备了PLC系统和计算机控制系统,可对能量、行程、压力、速度进行自动调节,对关键部件最佳工作点进行控制,对各项工作状态进行监控和显示,对系统故障、设备过载、过温和失控等进行预报和保护,对制品质量进行控制。有的还包括有偏移检测、同步系统、工作台和机架变形补偿、磁包存储器、集成电路、光纤通讯、彩色屏等,可实现全机或全机列,甚至整个车间的自动控制与科学管理。此外,为了生产各种规格和品种的大、中型精密锻件,各国还装配了各种型号的精锻机,50 t以上的大型锻锤、平锻机及q'5m~ l2 m的大型精密轧环机,如美国的 12 m、俄罗 的精密轧环机。
斯的 l0 m精密轧环机,中国也装备了多台q'5 m
         在铝及铝合金锻件技术方面,研制开发出了大量的锻压新工艺、新技术,如液体模锻、半固态模锻、
等温锻造、粉末锻造、多向锻造、无斜度精密模锻、分部模锻、包套模锻等,对简化工艺、减少工序、节省能耗、增加规格、提高质量和生产效率、保护环境、降低劳动强度、提高经济效益等方面发挥了重大作用。专用的计算机软件为控制锻造温度、锻压力、变形程度(欠压力)和工艺润滑等主要工艺参数,控制制品尺寸和内部组织、力学性能等提供了可靠的保证。模锻的设计与制造是铝合金锻压技术的关键,锻件CAD/CAM/CAE系统已十分成熟和普及。在美国,CAD/cAM/cAE系统正被CIM(计算机一体化)所代替。CIM包括成套技术、计算机技术、CAD/CAM/CAE技术、机器人、专家系统、加工计划、控制系统以及自动材料处理等,为模锻件的优化设计和工艺改进提供了条件。如在汽车工业,对前梁、羊角、轮毂、曲轴等零件进行设计和工艺过程优化,可使优化设计后的羊角减重15%,轮毂减重30% ,曲轴减重20% ,而且大大提高生产效率,降低能耗。在产品品种和质量上获得了突破性进展,目前世界上研制开发的锻造铝合金有上百种,十几个状态,可大批量生产不同合金、不同状态、不同性能、不同功能、各种形状、各种规格、各种用途的铝合金锻件,产能在30 kt/a以上的大型企业已近十家。目前世界上可生产的铝合金模锻件的最大投影面积达5 m2(750 MN),最长的铝锻件达15 nl,最重的铝锻件达1.5 t,最大的锻环直径达11.5 m,基本上可满足最大的飞机、飞船、火箭、导弹、卫星、航艇、航母以及发电备、起重设备等的需要。产品的内部组织、力学性能和尺寸精度也能满足各种用户要求,在产品
开发上达到了相当高的水平。
    近年来,除中国正在建设450 MN和800 MN巨型模锻机外,世界各国在大、中型锻压机的新建和改造方面的力度不大,因此,世界铝合金锻件的生产尚不能满足交通运输轻量化对铝锻件的需求,有必要新建若干条现代化的大、中型铝锻压生产线。
3.2     国内铝合金锻压生产发展现状和水平分析锻压生产在我国有悠久的历史,3300多年以前的殷墟文化早期,锻压已用于兵器生产。新中国成立前锻压生产十分落后。新中国成立后,锻压生产迅速发展,125 MN以下的自由锻水压机、300 MN模锻水压机、160 kN以下的模锻锤、16 000 kN以下的摩擦压力机、8 000 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300 MN、100 MN、60 MN、50 MN、30 MN 9台大、中型铝锻压水(液)压机和l台100 MN多向模压水压机及 5 m轧环机2台,铝锻件年生产能力仅为l5 kt左右,最大模锻件投影面积为2.5 m2。(铝合金)及1.5 m2。(钛合金),最大长度为7 rn,最大宽度为3.5 m,锻环最大直径5 113,以及盘径为q'534 mm~q'730 mm的铝合金绞线盘和q'600 mm左右的汽车轮箍。产品品种相对较少,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、模具制造方面已引入计算机技术、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与国外先进水平存在一定差距。不仅不能满足国内外市场对铝合金锻件13益增长的需求,更跟不上交通运输(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液压机生产线,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200 MN重型卧式挤压机和450MN、800 MN巨型立式模锻液压机,向世界铝合金锻压大国和强国迈进。

4 铝合金锻件的技术开发及应用前景
分析
4.1 铝合金锻件的生产、消费情况分析由于铝及铝合金锻件具有以上一系列的优越性,在航空航天、汽车、船舶、交通运输、兵器、电讯等工业部门备受青睐,应用范围越来越广泛。据初步统计,1985年我国铝锻件占世界锻件总产量的0.5%(即1.8万t),2008年上升到18%左右,目前,世界每年消耗锻件380万t左右,其中铝锻件占了70万t/a左右;钛锻件和高温合金锻件大约占1.5%(即1.8万t/a左右);钢锻件依然占绝大多数。从铝加工工业的角度来看,目前全世界的铝产量(包括再生铝)为4 000万t/a左右,其中85%要变成加工材,即目前世界上加工材年产量为3 000万t左右,其中板、带、箔材占57%左右,挤压材占38%左右。铝合金锻造材由于成本较高,生产技术难度较大,仅在特别重要的受力部位才应用,所占比重不大。但是,铝锻造材是增长速度最快的铝材,近十多年来,由于军工和民用工业,特别是交通运输业现代化和轻量化的需要,以铝代钢的要求十分迫切,因而,铝锻件的品种和应用都得到了迅猛的增长。其在铝材中的比例已由1985年的0.5% 增加到了2008年的2.5% ,即7O万t/a左右。为了满足军工和民用各部门对铝和铝合金锻件日益增长的需求,世界各国都集中人力、物力和财力发展铝锻压生产,设计和制造各种锻压设备,特别是大中型水(液)压锻压机。但是由于锻压设备比较贵,制造周期长,锻件生产技术也比较复杂,因而很难满足市场需要。目前世界上铝锻件的生产能力大约为4O万t/a左右,不能满足消费量70万t/a的需求。中国由于大、重型水(液)压锻造设备少,生产能力低,远远不能满足工业部门对铝锻压件的需求,年缺口量在3.0万t以上。到2015年,由于我国的汽车、飞机、船舶及交通运输和机械制造业的大量增加,铝锻件的年消耗量可能达到6万t/a以上。
4.2 市场需求及应用前景分析
      由以上分析,铝及铝合金锻件的主要用于要求轻量化程度大的工业部门,根据当前各国的应用情
况,主要的市场分布如下。
(1)航空(飞机)锻件:飞机上的锻件占飞机材料重量的80%左右,如起落架、框架、肋条、发动机部件、动环和不动环等。一架飞机上所用的锻件上千种,其中除了少数高温部件使用高温合金和钛合金锻件外,绝大部分已铝化,如美国波音公司,年产飞机上千架,年需消耗铝合金锻件数万吨。我国歼击机等军用飞机和民用飞机也在飞速发展,特别是大飞机项目等大型重点项目的实施,需要消耗的铝锻件也会逐年增加。
(2)航天锻件:航天器上的锻件主要是锻环、轮圈、翼梁和机座等,绝大部分为铝锻件,只要少数钛锻件。宇宙飞船、火箭、导弹、卫星等的发展对铝锻件的需求日益增加,如近些年来,我国研制的超远程导弹用Al—Li合金壳体锻件,每件重达300多kg,价值几十万元。q01.5 m一 m的各类铝合金锻环的用量也越来越多。
(3)兵器工业:如坦克、装甲车、运兵车、战车、火箭弹、炮架、军舰等常规武器上使用铝合金锻件作为
承力件的数量大大增加,基本代替了钢锻件。特别是铝合金坦克负重轮等重要锻件已成了兵器器械轻量化、现代化的重要材料。
(4)汽车是使用铝合金锻件最有前途的行业,也是铝锻件的最大用户。主要作为轮毂(特别重型汽车和大中型客车)、保险杠、底座大梁和其他一些小型铝锻件,其中铝轮毂是使用量最大的铝锻件,主要用于大客车、卡车和重型汽车上。近年来,在中小型汽车、摩托车和高级轿车上也开始使用。据统计,世界上几年来铝轮毂的用量的年增长速度达20% 以上,目前的使用量达数十亿个。我国刚刚起步,但一汽、二汽等大型汽车企业正在开始研发,随着汽车产量的增加(2008年我国汽车产量预计达到980万辆,世界汽车产量可能突破7 000万辆/a),铝轮毂和其他铝锻件的用量将会得到惊人的发展。目前工业上常用的汽车铝合金车轮的制造方法主要有铸造法和锻造法两种。铸造法又分为重力铸造和压力铸造法。铸造法生产的车轮产品的组织致密度和均匀性较差,力学性能亦较低;制造的精度(厚度)也较差,后续加工量大,不能满足高可靠性的轻量化乘用车性能要求,而且无法满足商用车的车轮的耐冲击和疲劳寿命及承载能力的要求。而用锻造法生产的铝合金汽车车轮的力学性能良好,结构强度高,重量轻(壁厚薄),抗冲击能力高,防腐蚀性能和抗疲劳强度优良等优点,可以满足商用车车轮的要求,因此,逐渐成为汽车,特别是高级轿车和大型、重型、豪华型客车与货车用车轮的首选配件,有逐渐替代铸造铝合金车轮的趋势。如美国铝业公司用80 NN锻压水压机生产的6061一T6铝合金汽车轮毂,其晶粒变形流向与受力方向一致,强度与韧性及疲劳强度均大大高于铸造合金车轮,而重量则减少20% ,伸长率可达12% 一16%。而且具有相当高的吸震与承压能力,承受冲击能力强。此外,锻铝车轮的致密度高,无疏松、针孔,表面无气孔,具有良好的表面处理性能。涂层均匀一致,结合力高,色彩调和美观。锻铝车轮有很好的机械加工性能。由此可见,锻造铝车轮具有重量轻、比强度高、韧性和抗疲劳性与抗腐蚀性优良,导热性好,易于机械加工,圆形度好,抗冲击,使用安全,便于维修,使用成本低,节能、环保、美观耐用等特点,是汽车车轮等交通运输转动部件的理想材料,有广阔的应用前景。
(5)能源动力工业上,铝锻件会逐渐代替某些钢锻件制作机架、护环、动环和不动环以及煤炭运输车轮、液化天然气法兰盘、核电站燃料架等。一般都是大中型锻件。
(6)船舶和舰艇上使用铝锻件作为机架、动环和不动环、炮台架等。
(7)在机械制造业上,目前主要用于制作木工机械、纺织机械等中的机架、滑块、连杆及绞线盘等。仅纺织机用绞线盘铝锻件,我国每年就需要数万件,重1 000多t。
(8)模具工业上用铝合金锻件制作橡胶模具、鞋模具及其他轻工模具。
(9)在运输机械、火车机车工业上,铝合金锻件大量用作气缸、活塞裙带等。仅国内每年消耗的4032铝合金的气缸和活塞裙等锻件达数万件。
(10)其他方面,如电子通讯、家用电器、文体器材等方面也开始使用铝锻件替代钢、铜等材料的锻件。
5 综合性评价    
 (1)锻压生产是向各工业部门提供机械零件毛坯的重要途径之一,在国民经济持续高速发展和国防军工现代化中占重要的地位并起着特殊用。                                                                                   
 (2)由于铝合金锻件具有一系列优良特性,其应用范围越来越广泛,市场潜力巨大,应用前景很好。特别是在制作飞机关键部件和汽车车轮方面有广阔应用前景。
(3)锻压生产的历史悠久,但发展速度较压延挤压来说相对缓慢。近几十年来,铝合金锻压生产和技术在国外已取得重大进展,而我国的发展水平和国外相比仍存在较大差距,应尽快提高我国铝合金锻压生产的工艺水平和工艺装备水平,并抓紧建设若干条60 MN~800 MN现代化铝合金锻压液压机生产线,以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,向铝锻压大国强国迈进。

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