鋁合金鍛造技術(shù)的現(xiàn)狀及 發(fā)展

文/ 謝水生，李寧·北京有色金屬研究總院有色金屬材料制備加工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

劉靜安·重慶西南鋁業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司

鋁合金鍛造技術(shù)的現(xiàn)狀及 發(fā)展

文/ 謝水生，李寧·北京有色金屬研究總院有色金屬材料制備加工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

劉靜安·重慶西南鋁業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司

目前，我國鋁合金鍛造生產(chǎn)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，已形成了完整的鋁合金鍛造生產(chǎn)體系，基本上能滿足國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的需求。但是，與國外先進(jìn)國家的鋁合金鍛造技術(shù)相比，我國技術(shù)仍存在一定的差距。隨著我國大飛機(jī)項(xiàng)目及其他大型重點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施，800MN立式模鍛液壓機(jī)的建成將促進(jìn)我國向世界鋁合金鍛造大國和強(qiáng)國邁進(jìn)。

鍛造生產(chǎn)是向國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)工業(yè)行業(yè)提供機(jī)械零件毛坯的主要途徑之一。鍛造生產(chǎn)的優(yōu)越性在于它不但能獲得機(jī)械零件的形狀，而且能改善材料的內(nèi)部組織，提供優(yōu)良的力學(xué)性能。對于受力大、力學(xué)性能要求高的重要機(jī)械零件，多數(shù)采用鍛造方法來制造。

鋁合金具有密度小，比強(qiáng)度、比剛度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，已大量使用在各個(gè)工業(yè)部門，鋁合金鍛造件已成為各個(gè)工業(yè)部門機(jī)械零件必不可少的材料。特別是近十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對材料提出越來越高的要求，迫使鋁合金鍛件向大型整體化、高強(qiáng)高韌化、復(fù)雜精確化的方向發(fā)展，也大大促進(jìn)了大中型液壓機(jī)和輾環(huán)機(jī)的發(fā)展。

鋁合金鍛造發(fā)展現(xiàn)狀及水平

鍛造生產(chǎn)在我國具有悠久的歷史，3300多年以前的殷墟文化早期，鍛造已用于兵器生產(chǎn)。但是，新中國成立前我國鍛造生產(chǎn)還是十分落后。新中國成立后，鍛造生產(chǎn)迅速發(fā)展，125MN以下的自由鍛水壓機(jī)、300MN模鍛水壓機(jī)、160kN以下的模鍛錘、16000kN以下的摩擦壓力機(jī)、8000kN以下的熱模鍛造機(jī)已經(jīng)裝備了各鍛造廠。但到目前為止，我國鋁加工企業(yè)僅有9臺(tái)30MN、50MN、60MN、100MN、300MN大、中型鋁鍛造水（液）壓機(jī)和1臺(tái)100MN多向模壓水壓機(jī)及2臺(tái)φ5m輾環(huán)機(jī)，鋁鍛件年生產(chǎn)能力僅為15000t左右，鋁合金最大模鍛件投影面積為2.5m2，最大長度為7m，最大寬度為3.5m，鍛環(huán)最大直徑為5m，以及盤徑為φ534～730mm的鋁合金絞線盤和φ600mm左右的汽車輪轂。鋁合金產(chǎn)品品種相對較少，模鍛件的比例較低，例如工業(yè)發(fā)達(dá)國家的模鍛件已占全部鍛件的80%以上，我國只占60%以上。國外模鍛件的設(shè)計(jì)、模具制造已廣泛引入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，模鍛CAD/CAM/CAE和模鍛過程仿真已進(jìn)入實(shí)用化階段，而我國很多鍛造廠在這方面才剛剛起步，工藝裝備的自動(dòng)化水平和工藝技術(shù)水平也相對落后。

目前，我國鋁合金鍛造工業(yè)，無論在技術(shù)裝備，還是在模具設(shè)計(jì)與制造、產(chǎn)品產(chǎn)量與規(guī)模、生產(chǎn)效率與批量化生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量與效益等方面都已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，已經(jīng)建立了具有我國特色的鋁合金鍛造體系，基本能滿足我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。但是，與國外先進(jìn)水平存在一定差距，還不能滿足國內(nèi)外市場對鋁合金鍛件日益增長的需求和交通運(yùn)輸（如飛機(jī)、汽車、高速火車、輪船等）輕量化要求（以鋁鍛件代替鋼鍛件）的步伐。為此，我國應(yīng)集中人力、物力和財(cái)力，盡快提高我國鋁合金鍛造生產(chǎn)的工藝裝備水平和生產(chǎn)工藝水平，并盡快新建若干條大中型現(xiàn)代化鋁合金鍛造生產(chǎn)線，盡快縮小與國外先進(jìn)水平的差距，最大程度滿足國內(nèi)外市場的需求。隨著我國大飛機(jī)項(xiàng)目及其他大型重點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施，建成的200MN重型臥式擠壓機(jī)和450MN、800MN立式模鍛液壓機(jī)（圖1），將大大的提升我國的鍛造裝備水平，促進(jìn)我國向世界鋁合金鍛造大國和強(qiáng)國邁進(jìn)。

鋁合金鍛造技術(shù)與國際水平的差距

目前，我國規(guī)模最大、裝備最先進(jìn)、品種最齊全的鋁合金鍛造企業(yè)應(yīng)屬西南鋁加工廠，該廠擁有世界級(jí)的300MN模鍛水壓機(jī)、100MN多向模鍛水壓機(jī)和60MN鍛造水壓機(jī)及配套齊全的輔助設(shè)備以及切邊、矯直、鋸切、機(jī)加、制模和檢測設(shè)備等，是一個(gè)專為航空航天等部門提供高質(zhì)量鋁合金鍛件和模鍛件的工廠。美國是目前世界上鋁合金鍛造生產(chǎn)和技術(shù)最發(fā)達(dá)的國家之一，美鋁公司下屬的克利弗蘭鍛造廠是其最具代表性的鋁合金鍛造企業(yè)，擁有 30MN、40MN、80MN、150MN、350MN、500MN等多臺(tái)鍛造水壓機(jī)；7MN～10MN、13MN、16MN、20MN、25MN～30MN、40MN～60MN等機(jī)械壓力機(jī)及6kN、8kN、18kN、36kN、110kN、150kN鍛錘以及配套齊全的輔助設(shè)備和公共設(shè)施。

下面以這兩個(gè)工廠為代表，對我國鋁合金鍛造技術(shù)與國際先進(jìn)水平進(jìn)行對比分析，從規(guī)模產(chǎn)能、品種和質(zhì)量等方面來分析差距，總體來說，克利弗蘭鍛造廠的規(guī)模比西南鋁要大得多，品種更多，規(guī)格更大，用途更廣泛，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量更高。因此，經(jīng)濟(jì)效益也更好。

從生產(chǎn)技術(shù)方面分析差距，我國鍛造企業(yè)主要存在以下4點(diǎn)不足：

⑴鍛造制坯。

模鍛所需的坯料是通過自由鍛造制備，影響自由鍛造制坯技術(shù)的主要因素是鍛造機(jī)的裝機(jī)水平和鍛工的操作技術(shù)。美鋁公司鍛造制坯主要在30MN鍛造水壓機(jī)上完成。這臺(tái)設(shè)備小巧靈活，工作臺(tái)上有一個(gè)主模座和多個(gè)輔助模座，適用于坯料鍛打、旋轉(zhuǎn)和翻滾。由于鍛造坯料的形狀往往比較復(fù)雜，需要反復(fù)的鐓粗、壓扁、拔長，坯料在工作臺(tái)上頻繁移動(dòng)和翻滾，因此這種鍛造設(shè)備非常適合，且具有操作方便、安全、省力、勞動(dòng)效率高，鍛坯質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 我國800MN立式模鍛液壓機(jī)

西南鋁加工廠鍛造制坯是在60MN鍛造水壓機(jī)上完成的。設(shè)備能力大（實(shí)際上每道次的鍛造力很小），不靈活。雖配有有軌鍛造操作機(jī)，但由于水壓機(jī)工作臺(tái)上只有一個(gè)主模座，坯料的移動(dòng)與翻滾仍然很不方便，需要多名鍛造工人配合完成。這既費(fèi)力費(fèi)時(shí)，又不安全，勞動(dòng)效率低下，鍛坯質(zhì)量粗糙。

⑵模鍛成形。

與美鋁公司相比，模鍛工序的主要差距是裝卸料的機(jī)械化和潤滑技術(shù)。坯料的出爐、裝模與出模，美鋁公司均采用無軌操作機(jī)（即裝卸料機(jī)械手），只有模具的裝卸才采用天車。而西南鋁加工廠采用天車裝卸料，水壓機(jī)每模壓一個(gè)料，需要開動(dòng)水壓機(jī)移動(dòng)工作臺(tái)一次，臺(tái)班生產(chǎn)效率低下。例如，用300MN模鍛水壓機(jī)生產(chǎn)投影面積為0.5mm2的鋁模鍛件，美鋁公司平均每小時(shí)可模鍛12件，西南鋁平均6件，效率低50%。另一個(gè)致命弱點(diǎn)是，由于頻繁開動(dòng)工作臺(tái)，加速了工作臺(tái)和控制閥的磨損，使設(shè)備故障頻繁，大大降低了設(shè)備的有效工作時(shí)間，也使成本大幅上升。

為了改善金屬在鍛模模膛中的流動(dòng)性能和防止金屬粘模，鋁模鍛時(shí)必須進(jìn)行潤滑。由于潤滑技術(shù)直接影響到模鍛件的內(nèi)在質(zhì)量、外表質(zhì)量及生產(chǎn)效率，因此世界各國非常重視潤滑技術(shù)（包括潤滑劑和潤滑方式）的研究。與美鋁公司相比，除潤滑劑的種類比較單調(diào)（鋁模鍛采用石墨加礦物油的混合物）外，潤滑方式十分落后。西南鋁加工廠目前仍然采用傳統(tǒng)的涂刷方式，國外早已采用噴涂方式。涂刷方式的最大缺點(diǎn)是模膛潤滑不均勻，特別是窄而深的模膛，不是沒有潤滑劑，就是潤滑劑存積太多，導(dǎo)致粘模嚴(yán)重和材料成形差。美鋁公司鍛造廠建立了集中潤滑站，向幾臺(tái)模鍛水壓機(jī)機(jī)臺(tái)提供高壓潤滑劑。潤滑工只要將噴槍與機(jī)臺(tái)上的潤滑劑管相連接即可使用。這樣既保證了潤滑的質(zhì)量，又便于操作和管理，使工作現(xiàn)場免受油污污染。

⑶模具設(shè)計(jì)與制造。

模具的設(shè)計(jì)、制造與使用水平直接影響新產(chǎn)品開發(fā)速度、產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗以及勞動(dòng)生產(chǎn)效率。因此引起發(fā)達(dá)工業(yè)國家的高度重視。我國鋁模鍛品種開發(fā)緩慢的重要原因之一便是模具的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)落后，生產(chǎn)周期長。

美鋁公司非常重視鍛模的設(shè)計(jì)與制造。公司的技術(shù)中心（位于Pittsbugh）專門有一個(gè)部門的專業(yè)人員從事計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造（CAD/CAM）。而國內(nèi)鍛模設(shè)計(jì)（CAD）尚未普及，僅在軸對稱回轉(zhuǎn)體鍛模上應(yīng)用。至于CAM的用戶則更少，尚在起步階段，西南鋁加工廠也一樣。模具的設(shè)計(jì)需要不斷積累生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，所以即使是大學(xué)畢業(yè)生，也需要經(jīng)過多年的努力，才能具有獨(dú)立設(shè)計(jì)比較復(fù)雜模具的能力。而CAD的專家系統(tǒng)，積累了許多設(shè)計(jì)專家豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，模具設(shè)計(jì)者可以利用它們進(jìn)行高質(zhì)量、高效率的設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)的模具準(zhǔn)確度高，時(shí)間短，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)步伐。

另外，鍛模材料國內(nèi)主要采用5CrNiMo和5CrMnMo，這些材料的耐熱性差，壽命低。而美國多采用H13（4Cr5MoSiV1），這種鋼在500℃時(shí)紅硬性好，沖擊韌性高，水冷時(shí)不裂，壽命長。

⑷檢測技術(shù)與裝備。

航空模鍛件多是受力結(jié)構(gòu)件，內(nèi)部質(zhì)量要求高，往往要經(jīng)過水浸超聲波檢測。美鋁公司裝備有大型水浸超聲波檢測設(shè)備，自動(dòng)化程度很高。大型水槽上安裝有自動(dòng)升降式載物臺(tái)和自動(dòng)掃描儀。檢測工將被測工件裝卡在載物臺(tái)上，調(diào)整好掃描儀，將載物臺(tái)降至水面以下，即可進(jìn)行自動(dòng)檢測了。而西南鋁加工廠雖有水浸探傷裝置，但均是手工操作，工作效率低。

熒光滲透檢測也是鋁合金模鍛件在加工過程中有效的檢測手段，能檢測鍛件表面易形成折疊和裂紋等缺陷。通常，鋁模鍛件的表面缺陷打磨后會(huì)對光線形成漫反射，檢驗(yàn)工用 肉眼或放大鏡已無法判斷缺陷是否清除掉，這就需要進(jìn)行熒光滲透檢測。美鋁公司有這樣的設(shè)備，而西南鋁加工廠目前還沒有這樣的設(shè)備。成品檢驗(yàn)時(shí)，西南鋁加工廠采用的是反復(fù)蝕洗的辦法，將清理過的鍛件裝筐吊入堿槽、酸槽和水槽中蝕洗，以消除缺陷部位的漫反射效果，再檢查。這樣做工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，且易碰傷鍛件表面。

從以上分析來看，不論在總體上，還是在技術(shù)層面上，我國的鋁合金鍛造生產(chǎn)與技術(shù)水平仍落后于國際先進(jìn)水平。目前，我國已成為鋁合金鍛造大國，但還不是強(qiáng)國。要想早日超越世界先進(jìn)水平，成為真正的鋁合金鍛造大國和強(qiáng)國，我們還有許多工作要做。

鋁合金鍛造技術(shù)的發(fā)展方向

經(jīng)過幾十年的努力，我國鋁合金鍛造生產(chǎn)與技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，已形成完整的鋁合金鍛造生產(chǎn)體系，基本上能滿足國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的需要。但是，鋁合金鍛造生產(chǎn)與軋制和擠壓生產(chǎn)規(guī)模仍然很小，占鋁材比例很低（2%～3%）。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)文明和安全的進(jìn)步，特別是節(jié)能環(huán)保對輕量化的要求，鋁合金鍛造生產(chǎn)及優(yōu)質(zhì)鍛件遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)發(fā)展的需求。為了適應(yīng)這種發(fā)展趨勢，大力發(fā)展鋁合金鍛造生產(chǎn)及技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。

今后，鋁合金鍛造生產(chǎn)及其技術(shù)的發(fā)展方向是擴(kuò)大規(guī)模、增大產(chǎn)能，增加品種和擴(kuò)展鋁合金鍛件的應(yīng)用領(lǐng)域；設(shè)計(jì)和制造更多大型、高速的多功能鍛造設(shè)備，組建若干條大型、先進(jìn)、多用途的鋁合金鍛造生產(chǎn)線；提高鍛造件質(zhì)量，滿足進(jìn)一步發(fā)展的國民經(jīng)濟(jì)及國防軍工需求；研發(fā)和應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新材料和新設(shè)備，不斷提高鋁合金鍛造生產(chǎn)的技術(shù)含量，以達(dá)到高效、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低成本、高效益以及節(jié)能、環(huán)保、安全的目的。具體內(nèi)容主要包括以下6點(diǎn)：

⑴提高鍛造件的內(nèi)在質(zhì)量、提高性價(jià)比、提高鋁合金鍛造件的競爭力，即提高鋁合金鍛件的力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度）和可靠度。這需要更好地應(yīng)用金屬塑性變形的理論；應(yīng)用內(nèi)在質(zhì)量更好的材料，如研發(fā)新合金、熔鑄優(yōu)質(zhì)坯料；精確進(jìn)行鍛前加熱、鍛造及熱處理；更嚴(yán)格和更廣泛地對鍛造件進(jìn)行無損探傷等。

⑵先進(jìn)省力鍛造工藝的研發(fā)、節(jié)能降耗、改善環(huán)保條件。研發(fā)高效鍛造工藝一直是研究人員熱衷的一個(gè)研究領(lǐng)域。目前省力的途徑主要有減少拘束系數(shù)，實(shí)際生產(chǎn)中常用分流的辦法來減少變形抗力；減少流變應(yīng)力的方法，實(shí)際生產(chǎn)中的超塑性成形和液態(tài)模鍛均屬于這種方法；減少接觸面積；研發(fā)新的鍛造方法；減少摩擦阻力，采用新型潤滑劑。

⑶精密鍛造成形工藝的研發(fā)與應(yīng)用。鍛件不需要再進(jìn)行機(jī)械加工就能滿足公差要求，目前已經(jīng)能將鍛件精度控制在0.01～0.05mm之間。凈成形和近凈成形鍛造均屬于這類方法。少無切削加工是機(jī)械工業(yè)提高材料利用率、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低能源消耗的最重要的措施和方向。

⑷鍛造工程的信息化、自動(dòng)化和管理現(xiàn)代化。在鍛造過程中推廣和應(yīng)用CAD、CAE、CAM和CAD/ CAE/CAM一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鍛造全過程的虛擬生產(chǎn)、模具設(shè)計(jì)與制造的自動(dòng)化、鍛造后鍛件組織性能預(yù)測與缺陷預(yù)測，人工智能、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鍛造過程在線質(zhì)量檢測與在線控制。實(shí)現(xiàn)鍛造工藝過程、生產(chǎn)過程的信息管理，將有效的提升生產(chǎn)過程的效率。

⑸微成形技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。通常指零件變形小于0.5mm的變形，這類變形所用材料晶格尺寸沒發(fā)生多大變化。目前隨著微電子工業(yè)的快速發(fā)展，對微成形技術(shù)的需求也越來越大。但微成形技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)就在于其尺寸效應(yīng)。

⑹環(huán)境友好成形技術(shù)的研究開發(fā)及應(yīng)用。鍛造過程的綠色化、無害化，減少環(huán)境危害，同時(shí)鍛造過程節(jié)約能源，促進(jìn)節(jié)能減排，推廣環(huán)境友好的成形工藝。