鍛造行業(yè)執(zhí)行《中國制造2025》的幾點(diǎn)建議（上）

文/夏巨諶·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

張運(yùn)軍·湖北三環(huán)鍛造有限公司

鍛造行業(yè)執(zhí)行《中國制造2025》的幾點(diǎn)建議（上）

文/夏巨諶·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

張運(yùn)軍·湖北三環(huán)鍛造有限公司

本文首先簡要介紹了《中國制造2025》的基本方針及三步走戰(zhàn)略目標(biāo)，然后提出了如何執(zhí)行《中國制造2025》的總體思路及技術(shù)路線圖，進(jìn)而提出了以提高技術(shù)水平為主的八點(diǎn)建議，在已經(jīng)開局的“十三五”規(guī)劃的開頭之年，可供鍛造行業(yè)制訂各自的發(fā)展計(jì)劃時(shí)參考。

《中國制造2025》的基本方針及三步走戰(zhàn)略目標(biāo)

基本方針

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。自十八世紀(jì)中葉開啟工業(yè)文明以來，世界強(qiáng)國的興衰史和中華民族的奮斗史一再證明，沒有強(qiáng)大的制造業(yè)，就沒有國家和民族的強(qiáng)盛。打造具有國際競爭力的制造業(yè)，是我國提升綜合國力、保障國家安全、建設(shè)世界強(qiáng)國的必由之路。

三步走戰(zhàn)略目標(biāo)

第一步：到2020年，掌握一批重點(diǎn)領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)，優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域競爭力進(jìn)一步增強(qiáng)，產(chǎn)品質(zhì)量有較大提高。制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化取得明顯進(jìn)展。重點(diǎn)行業(yè)單位工業(yè)增加值能耗、物耗及污染物排放明顯下降。力爭用十年時(shí)間，邁入制造強(qiáng)國行列；到2025年，制造業(yè)整體素質(zhì)大幅提升，創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)，全員勞動(dòng)生產(chǎn)率明顯提高，兩化（工業(yè)化和信息化）融合邁上新臺(tái)階。第二步：到2035年，我國制造業(yè)整體達(dá)到世界制造強(qiáng)國陣營中等水平。第三步：新中國成立一百年時(shí)，制造業(yè)大國地位更加鞏固，綜合實(shí)力進(jìn)入世界制造強(qiáng)國前列。

執(zhí)行《中國制造2025》的總體思路及主要技術(shù)內(nèi)涵

執(zhí)行《中國制造2025》的總體思路及主要技術(shù)內(nèi)涵（圖1）為：

圖1 總體思路及技術(shù)路線圖

⑴鍛造工藝數(shù)字化、信息化及網(wǎng)絡(luò)化：鍛件材料的物理性能參數(shù)與鍛造工藝參數(shù)，通過物理模擬和數(shù)值模擬，得到鍛件的尺寸、力學(xué)性能及微觀組織等信息，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)藉懺煸O(shè)備或所需網(wǎng)站。

⑵鍛造設(shè)備數(shù)字化、信息化及網(wǎng)絡(luò)化：數(shù)控鍛造設(shè)備本身已具有設(shè)備技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)功能，通過位移、速度、壓力及溫度等傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及處理系統(tǒng)得到所需與鍛件質(zhì)量相關(guān)信息，通過與上述信息比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍛造設(shè)備的優(yōu)化控制，進(jìn)而得到優(yōu)質(zhì)鍛件。

⑶智能制造：應(yīng)當(dāng)包括智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)不僅能夠在實(shí)踐中不斷地充實(shí)知識(shí)庫，具有自學(xué)習(xí)功能，還有搜集和理解環(huán)境信息與自身的信息，并進(jìn)行分析和判斷自身行為的能力。智能化精密鍛造技術(shù)屬于國家重點(diǎn)發(fā)展的智能技術(shù)之一。

執(zhí)行《中國制造2025》的八點(diǎn)建議

以節(jié)省材料為目的的精鍛成形工藝

精鍛成形工藝簡稱精鍛，它是使鍛件的形狀和尺寸精度盡可能接近乃至完全達(dá)到零件的形狀和尺寸精度要求的一種少無切削新工藝，亦稱近凈成形新工藝。一般模鍛件所能達(dá)到的尺寸精度為±0.50mm，表面粗糙度也只能達(dá)到Ra12.5μm，而精鍛件所能達(dá)到的一般精度為±0.25mm，較高精度為±0.10mm，表面粗糙度可達(dá)Ra3.2～Ra0.4μm。據(jù)粗略計(jì)算，每100萬噸鋼材由切削加工改為精密模鍛，可節(jié)約鋼材15萬噸以上，自2010年以來，我國鍛件總產(chǎn)量一直穩(wěn)定在1100萬噸以上，可節(jié)約鋼材165萬噸，相應(yīng)節(jié)約鍛造加熱電能7.425億千瓦時(shí)。

近10年來，我國冷、溫、熱精鍛成形工藝取得了長足進(jìn)步，其代表性成果有轎車直錐齒輪冷精鍛、載重車直錐齒輪和轎車等速萬向節(jié)溫精鍛、結(jié)合齒輪熱精鍛﹢冷精整、餅盤齒輪坯無飛邊閉式精鍛、前軸和轉(zhuǎn)向節(jié)及連接板平面薄飛邊精鍛、鉤尾框復(fù)合精鍛等，但發(fā)展水平仍然與德國和日本等國相差10年以上，仍應(yīng)進(jìn)行大力開發(fā)與推廣應(yīng)用。

以節(jié)能減排為目的鍛件輕量化

據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，我國汽車尾氣排放已成為一種主要的空氣污染源，汽車能耗約有60%消耗于自重，車重減輕100kg，百公里油耗可減少0.4L，可減少尾氣排放1kg。

輕質(zhì)材料的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑，目前，鋁合金已成為國內(nèi)外用于汽車零部件制造的首選輕金屬材料。根據(jù)資料，美國每輛轎車鋁合金使用量（沖壓件、鍛件）達(dá)到36.3%；日本2004年懸掛系統(tǒng)鋁鍛件產(chǎn)量達(dá)到了2000年的五倍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋁鍛件在世界鍛件總量中由1985年的0.5%上升到2002年的15%。

鋁合金鍛件在國際上是發(fā)展趨勢(shì)，大多數(shù)鍛件用于汽車車橋、底盤構(gòu)件。例如德日美鍛造或擠壓鋁合金輪轂、傳動(dòng)軸、懸掛件、控制臂、左右拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)等零件。鍛造鋁合金已開始用于發(fā)動(dòng)機(jī)零件（如連桿、活塞等），還有轎車鋁合金門鉸鏈。另外，高速列車為實(shí)現(xiàn)輕量化，其車廂骨架及車身覆蓋件，幾乎全部采用鋁合金零件。但是，目前國產(chǎn)轎車鋁合金鍛件使用量較少，每輛轎車僅5kg左右，今后將有越來越多鋁合金鍛件替代鋼質(zhì)鍛件。

以信息化智能化為目的的數(shù)字化精鍛工藝優(yōu)化技術(shù)

數(shù)字化精鍛成形技術(shù)是將數(shù)值模擬技術(shù)同傳統(tǒng)的塑性成形理論、精密鍛造工藝、材料、模具、設(shè)備及計(jì)算機(jī)相結(jié)合于一體的新的成形技術(shù)。數(shù)值模擬是其中的核心技術(shù)，目前熱鍛成形過程模擬主要采用熱力耦合有限元模擬軟件來實(shí)現(xiàn)。工藝試驗(yàn)和物理模擬，通常只能觀察到由毛坯成形為鍛件時(shí)外形的變化過程，也可以測(cè)試出模鍛成形力，但無法得到變形體內(nèi)部的微細(xì)變化過程及規(guī)律、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等詳細(xì)信息。而熱力耦合有限元數(shù)值模擬可得到變形體內(nèi)部及外形的變化過程及規(guī)律、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變及溫度分布場，成形力曲線和模具內(nèi)壁及模體內(nèi)的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變與溫度分布場的詳細(xì)信息，采用微觀組織模擬還可得鍛件內(nèi)部金相組織的演變過程及晶粒度的大小。

數(shù)值模擬技術(shù)的意義在于：驗(yàn)證工程技術(shù)人員根據(jù)傳統(tǒng)塑性理論、模鍛工藝知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)所制定的熱精鍛工藝方案的可行性；為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及冷卻潤滑系統(tǒng)的配置和設(shè)備噸位合理選擇提供科學(xué)依據(jù)；針對(duì)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)廢次品進(jìn)行分析，找出改進(jìn)措施；以模擬得到的結(jié)果為基礎(chǔ)再進(jìn)行工藝試驗(yàn)，可縮短鍛件開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)費(fèi)用（圖2a）?？偟膩碇v，這是屬于驗(yàn)證性的。近年來正朝著主動(dòng)優(yōu)化的方向發(fā)展，即以獲得合格鍛件為目標(biāo)，通過逆向模擬分析實(shí)現(xiàn)終鍛、預(yù)鍛和制坯工藝及坯料形狀與尺寸的優(yōu)化（圖2b）。

以降低鍛模成本為目的的模具再制造技術(shù)

湖北三環(huán)鍛造有限公司針對(duì)模鍛錘和螺旋壓力機(jī)上鍛模承受高溫高壓沖擊的特點(diǎn)，開發(fā)出采用不同牌號(hào)的焊條堆焊成四層復(fù)合模塊，其模膛部分采用與3D打印技術(shù)特點(diǎn)相同的“隨形”增材制造方法，通過專用機(jī)器人及3D打印軟件進(jìn)行堆焊制造，模膛表面僅需光潔加工即可，整個(gè)模塊自底層至表面硬度逐漸升高（即表層至底層硬度逐層降低呈梯度分布），這樣既有利表層耐磨損又保證了中下層耐沖擊的特點(diǎn)；當(dāng)使用一段時(shí)間表層出現(xiàn)疲勞裂紋或磨損超差，再將失效層高速銑削后再采用上述方法將表層堆焊和拋光實(shí)現(xiàn)修復(fù)即再制造。同電火花加工、數(shù)控銑及厚層堆焊等傳統(tǒng)制造與修復(fù)方法比較，大幅節(jié)約了昂貴的鍛模材料，縮短了制造周期，顯著提高使用壽命，降低了鍛件的模具成本。

重慶大學(xué)周杰教授針對(duì)熱模鍛壓力機(jī)鍛模的特點(diǎn)，將優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼作為底層材料，在上面均勻堆焊一層具有較好耐沖擊韌性和一定耐熱的模具材料（即第二層），在第二層上再堆焊一層耐磨損和耐熱疲勞的高性能模具材料，然后采用上述CAM技術(shù)加工出模膛。當(dāng)使用磨損超差或熱疲勞失效后，將第三層材料去掉，再次采用堆焊相同的模具材料并采用同一CAM程序加工出模膛。如此，多次重復(fù)可使模具材料及加工費(fèi)大為降低，達(dá)到大幅提高模具使用壽命的目的，使用表明，效果良好。

圖2 數(shù)字化精鍛成形的步驟及過程框圖

《鍛造行業(yè)執(zhí)行〈中國制造2025〉的幾點(diǎn)建議（下）》見2016年第7期