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鋁合金鍛造在國民經(jīng)濟中的重要地位
鍛壓生產(chǎn)是向各個工業(yè)行業(yè)提供機械零件毛坯的主要途徑之一。鍛壓生產(chǎn)的優(yōu)越性在于:它不但獲得機械零件的形狀,而且能改善材料的內(nèi)部組織,提高力學(xué)性能。一般來講,對于受力大、力學(xué)性能要求高的重要機械零件,多數(shù)采用鍛壓方法來制造。
在飛機上鍛壓件的重量占70%,坦克上鍛壓件的重量占60%,汽車上鍛壓件重量占50%,電力工業(yè)中水輪機主軸、透平葉輪、轉(zhuǎn)子、護環(huán)等均是鍛壓而成。從這些例子可以看出,鍛壓生產(chǎn)在工業(yè)行業(yè)中占有極重要的地位。
鋁合金由于比重小、比強度、比剛度高等一系列優(yōu)點,已大量使用在各個工業(yè)部門,鋁合金鍛壓件已成為各個工業(yè)部門機械零件必不可少的材料。凡是用低碳鋼可以鍛出的各種鍛件,都可以用鋁合金鍛造出來。鋁合金可以在鍛錘、機械壓力機、液壓機、頂鍛機、擴孔機等各種鍛造設(shè)備上鍛造,可以自由鍛、模鍛、軋鍛、頂鍛、輥鍛和擴孔。
一般來說,尺寸小、形狀簡單、偏差要求不嚴的鋁鍛件,可以很容易地在錘上鍛造出來,但是對于規(guī)格大、要求劇烈變形的鋁鍛件,則宜選用水(液)壓機來鍛造。對于大型復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)的鋁鍛件則非采用大型模鍛液壓機來生產(chǎn)不可。對于大型精密環(huán)形件則宜用精密軋環(huán)機軋鍛。特別是近十年來,隨著科學(xué)技術(shù)的進步和國民經(jīng)濟的發(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、高強高韌化、復(fù)雜精密化的方向發(fā)展,大大促進了大中型液壓機和鍛環(huán)機的發(fā)展。
隨著我國交通運輸業(yè)向現(xiàn)代化、高速化方向發(fā)展,交通運輸工具的輕量化要求日趨強烈,以鋁代鋼的呼聲越來越大,特別是輕量化程度要求高的飛機、航天器、鐵道車輛、地下鐵道、高速列車、貨運車、汽車、艦艇、船舶、火炮、坦克以及機械設(shè)備等重要受力部件和結(jié)構(gòu)件,近幾年來大量使用鋁及鋁合金鍛件和模鍛件以替代原來的鋼結(jié)構(gòu)件,如飛機結(jié)構(gòu)件幾乎全部采用鋁合金模鍛件;汽車(特別是重型汽車和大中型客車)輪轂、保險杠、底座大梁;坦克的負重輪;炮臺機架;直升機的動環(huán)和不動環(huán);火車的氣缸和活塞裙;木工機械機身;紡織機械的機座、軌道和絞線盤等等都已應(yīng)用鋁合金模鍛件來制造。而且,這些趨勢正在大幅度增長,甚至某些鋁合金鑄件也開始采用鋁合金模鍛件來代替。
目前,世界上大型鍛壓液壓機為數(shù)不多,中國更是寥寥無幾,隨著國防工業(yè)的現(xiàn)代化和民用工業(yè)特別是交通運輸業(yè)的發(fā)展,鋁合金模鍛件的品種和產(chǎn)量,不僅不能滿足國內(nèi)市場的需要,國際市場也有很大缺口。因此,我國抓緊建設(shè)幾條大、中型鋁合金鍛壓生產(chǎn)線是十分必要的、及時的,對國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和國防軍工現(xiàn)代化有重要的現(xiàn)實意義和長遠意義。
鋁合金鍛壓件的特性及應(yīng)用領(lǐng)域
鋁合金鍛壓件的特性
① 密度小,只有鋼鍛件的34%,銅鍛件的30%,是輕量化的理想材料。
?、?比強度大、比剛度大、比彈性模量大、疲勞強度高,宜用于輕量化要求高的關(guān)鍵受力部件,其綜合性能遠遠高于其它材料。
?、?內(nèi)部組織細密、均勻、無缺陷,其可靠性遠遠高于鋁合金鑄件和壓鑄件,也高于其它材料鑄件。
④ 鋁合金的塑性好,可加工成各種形狀復(fù)雜的高精度鍛件,機械加工余量小,僅為鋁合金拉伸厚板加工余量的20%左右,大大節(jié)省工時和成本。
?、?鋁鍛件具有良好的耐蝕性、導(dǎo)熱性和非磁性,這些都是鋼鍛件無法比擬的。
?、?表面光潔、美觀,表面處理性能良好,美觀耐用。
可見,鋁鍛件具有一系列優(yōu)良特征,為鋁鍛件代替鋼、銅、鎂、木材和塑料提供了良好條件。
鋁合金鍛件的應(yīng)用領(lǐng)域
近幾年來,由于鋁材成本下降,性能提高,品種規(guī)格擴大,其應(yīng)用領(lǐng)域越來越大。主要用于航天航空、交通運輸、汽車、船舶、能源動力、電子通訊、石油化工、冶金礦山、機械電器等領(lǐng)域。主要鍛造鋁合金
鋁合金鍛壓生產(chǎn)技術(shù)與發(fā)展水平
國外發(fā)展狀況與水平分析
鍛件生產(chǎn)是一個很古老的行業(yè),但鋁合金鍛件的大量生產(chǎn)應(yīng)用是從1950年代開始的。經(jīng)過幾十年的現(xiàn)代化改造,無論在工業(yè)裝備上,模具設(shè)計和制造上,生產(chǎn)工藝和技術(shù)上,還是在產(chǎn)品品種規(guī)格、生產(chǎn)規(guī)模和質(zhì)量等方面都得到飛速發(fā)展,尤其是美國、俄國、德國、日本、法國、意大利、捷克、奧地利、瑞士等國的鍛壓生產(chǎn)的發(fā)展達到了相當高的水平。
目前,全世界有鍛壓廠上千家,鍛壓機數(shù)千臺,年產(chǎn)鍛件近500萬噸/年,其中,鋁合金模鍛件30萬噸/年左右(年消耗近50萬噸/年)。全球有大小水(液)壓機500余臺,其中100MN以上的大型水(液)壓機10余臺。300MN以上的重型鍛壓機的分布情況是:俄國4臺。其中一臺是750MN,為世界之最;美國5臺(其中包括2臺450MN);法國1臺,為650MN;德國2臺;中國1臺(中國正在建設(shè)和制造450MN和800MN巨型模鍛液壓機);羅馬尼亞1臺;英國1臺。這些大型水(液)壓機的主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊、功能多、自動化程度高、配備有操作機和快速換模裝置、平面配置合理、有利于連續(xù)作業(yè)、生產(chǎn)效率高。
此外隨著鋁合金模鍛件大型化、精密化程度提高,大型精密多向模鍛液壓機日益受到重視,各國已擁有多臺大型多向模壓液壓機,其中美國3臺,最大為300MN;法國1臺為650MN;英國1臺為300MN;中國1臺為100MN,俄國2臺為200MN和500MN;德國1臺為350MN。多向模鍛機屬于精密鍛壓設(shè)備,配備了PLC系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng),可對能量、行程、壓力、速度進行自動調(diào)節(jié),對關(guān)鍵部件最佳工作點進行控制,對各項工作狀態(tài)進行監(jiān)控和顯示,對系統(tǒng)故障、設(shè)備過載、過溫和失控等進行預(yù)報和保護,對制品質(zhì)量進行控制。有的還包括有偏移檢測、同步系統(tǒng)、工作臺和機架變形補償、磁包存儲器、集成電路、光纖通訊、彩色屏等,可實現(xiàn)全機或全機列,甚至整個車間的自動控制與科學(xué)管理。
除此以外為了生產(chǎn)各種規(guī)格和品種的大、中型精密鍛件,各國還裝配了各種型號的精鍛機,50噸以上的大型鍛錘、平鍛機及Φ5~Φ12m的大型精密軋環(huán)機,如美國的Φ12M、俄國的Φ10M精密軋環(huán)機,中國也裝備了多臺Φ5M的精密軋環(huán)機。
在鋁及鋁合金鍛件技術(shù)方向研制開發(fā)出了大量的鍛壓新工藝、新技術(shù),如液體模鍛、半固態(tài)模鍛、等溫鍛造、粉末鍛造、多向鍛造、無斜度精密模鍛、分部模鍛、包套模鍛等,對簡化工藝、減少工序、節(jié)省能耗、擴大品質(zhì)、增加規(guī)格、提高質(zhì)量和生產(chǎn)效率、保護環(huán)境、降低勞動強度、提高經(jīng)濟效益等方面發(fā)揮了重大作用。專用的計算機軟件對控制鍛造溫度、鍛壓力、變形程度(欠壓力)和工藝潤滑等主要工藝參數(shù),控制制品尺寸和內(nèi)部組織、力學(xué)性能等提供了可靠的保證。
模鍛的設(shè)計與制造是鋁合金鍛壓技術(shù)的關(guān)鍵,鍛件CAD/CAM/CAE系統(tǒng)已十分成熟和普及,在美國,CAD/CAM/CAE系統(tǒng)正被CIM(計算機一體化)所代替。CIM包括成套技術(shù)、計算機技術(shù)、CAD/CAM/CAE技術(shù)、機器人、專家系統(tǒng)、加工計劃、控制系統(tǒng)以及自動材料處理等,為模鍛件的優(yōu)化設(shè)計和工藝改進提供了條件。如汽車工業(yè)上,對前梁、羊角、輪轂、曲軸等零件進行設(shè)計和工藝過程優(yōu)化,可使優(yōu)化設(shè)計后的羊角減重15%,輪轂減重30%,曲軸減重20%,而且大大提高生產(chǎn)效率,降低能耗。
在產(chǎn)品品種和質(zhì)量上獲得了突破性進展,目前世界上研制開發(fā)的鍛造鋁合金有上百種,十幾個狀態(tài),可大批量生產(chǎn)不同合金、不同狀態(tài)、不同性能、不同功能、各種形狀、各種規(guī)格、各種用途的鋁合金鍛件,規(guī)模在30000噸/年以上的大型企業(yè)已有十來家。目前世界上可生產(chǎn)的鋁合金模鍛件的最大投影面積達5m2(750MN),最長的鋁鍛件達15m,最重的鋁鍛件達1.5噸,最大的鍛環(huán)直徑達11.5m,基本上可滿足最大的飛機、飛船、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、航艇、航母以及發(fā)電設(shè)備、起重設(shè)備等的需要。產(chǎn)品的內(nèi)部組織、力學(xué)性能和尺寸精度也能滿足各種用戶要求,在產(chǎn)品開發(fā)上達到了相當高的水平。
由于近年來,除中國正在建設(shè)450MN和800MN巨型模鍛機外,世界各國在大、中型鍛壓機的新建和改造方面力度不大,因此,總的來說,世界鋁合金鍛件的生產(chǎn)尚不能滿足交通運輸輕量化對鋁鍛件的需求,有必要新建若干條現(xiàn)代化的大、中型鋁鍛壓生產(chǎn)線。
國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀和水平分析
鍛壓生產(chǎn)在我國有悠久的歷史,3300多年以前的殷墟文化早期,鍛壓已用于兵器生產(chǎn)。解放前,鍛壓生產(chǎn)十分落后。解放后,鍛壓生產(chǎn)迅速發(fā)展,180MN以下的自由鍛水壓機、300MN模鍛水壓機、160KN以下的模鍛錘、16000KN以下的摩擦壓力機、8000KN以下的熱模鍛壓機已成系列裝備了各鍛壓廠。
但到目前為止,我國鋁加工企業(yè)僅有300MN、100MN、60MN、50MN、30MN10臺大、中型鋁鍛壓水(液)壓機和1臺100MN多向模壓水壓機及Φ5m軋環(huán)機2臺,鋁鍛件年生產(chǎn)能力僅為20000噸左右,最大模鍛件投影面積為2.5 m2(鋁合金)及1.5 m2(鈦合金),最大長度為7m,最大寬度為3.5m,鍛環(huán)最大直徑Φ6m,以及盤徑為Φ534mm~Φ730mm的鋁合金絞線盤和Φ650mm左右的汽車輪箍。產(chǎn)品品種相對較少,例如工業(yè)發(fā)達國家的模鍛件已占全部鍛件的80%左右,我國只占30%左右。國外模鍛件的設(shè)計、模具制造方面已引入計算機技術(shù)、模鍛CAD/CAM/CAE和模鍛過程仿真已進入實用化階段,而我國很多鍛壓廠在這方面才剛剛起步。工藝裝備的自動化水平和工藝技術(shù)水平也相對落后。
根據(jù)以上分析可知,目前我國鋁合金鍛壓工業(yè),無論在技術(shù)裝備上、模具設(shè)計與制造上、產(chǎn)品產(chǎn)量與規(guī)模上、生產(chǎn)效率與批量化生產(chǎn)上、產(chǎn)品質(zhì)量與效益等方面都與國外先進水平存在較大差距。不僅不能滿足國內(nèi)外市場對鋁合金鍛件日益增長的需求,更跟不上交通運輸(如飛機、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、物力和財力,盡快提高我國鋁合金鍛壓生產(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)代化鋁合金鍛壓液壓機生產(chǎn)線,以盡快縮小與國外先進水平的差距,最大程度地滿足國內(nèi)外市場的需求??上驳氖?,隨著我國大飛機項目及航母以及其他大型重點項目的實施,正在建造200MN重型臥式擠壓機和450MN和800MN巨型立式模鍛液壓機,向世界鋁合金鍛壓大國和強國邁進。
鋁合金鍛件的技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用前景分析
鋁合金鍛件的產(chǎn)銷情況分析
由于鋁及鋁合金鍛件具有以上一系列的優(yōu)越性,在航空航天、汽車、船舶、交通運輸、兵器、電訊等工業(yè)部門備受青睞,應(yīng)用范圍越來越廣泛。據(jù)初步統(tǒng)計,1985年鋁鍛件占世界鍛件總產(chǎn)量的0.5%(即1.8萬噸),2008年上升到18%左右,目前,世界上消耗鍛件450萬噸左右,其中鋁鍛件占了80萬噸/年左右;鈦鍛件和高溫合金鍛件大約占1.5%(即1.8萬噸/年左右);鋼鍛件依然占絕大多數(shù)。
從鋁加工工業(yè)的角度來看,目前全世界的鋁產(chǎn)量(包括再生鋁)為5000萬噸/年左右,其中85%要變成加工材,即目前世界上加工材年產(chǎn)量為4000萬噸左右,其中板、帶、箔材占57%左右,擠壓材占38%左右。鋁合金鍛造材由于成本較高,生產(chǎn)技術(shù)難度較大,僅在特別重要的受力部位才應(yīng)用,所占比重不大。但是,鋁鍛造材是增長速度最快的鋁材,近十多年來,由于軍工和民用工業(yè),特別是交通運輸業(yè)現(xiàn)代化和輕量化的需要,以鋁代鋼的要求十分迫切,因而,鋁鍛件的品種和應(yīng)用都得到了迅猛的增長。其在鋁材中的比例已由1985年的0.5%增加到了2009年的2.5%,即80萬噸/年左右。
為了滿足軍工和民用各部門對鋁和鋁合金鍛件日益增長的要求,世界各國都集中人力、物力和財力發(fā)展鋁鍛壓生產(chǎn),設(shè)計和制造各種鍛壓設(shè)備,特別是大中型水(液)壓鍛壓機。但是由于鍛壓設(shè)備比較貴,制造周期長,鍛件生產(chǎn)技術(shù)也比較復(fù)雜,因而很難滿足市場需要。目前世界上鋁鍛件的生產(chǎn)能力大約為80萬噸/年左右,不能滿足消費量100萬噸/年的需求。中國由于大、重型水(液)壓鍛造設(shè)備少,生產(chǎn)能力低,遠遠不能滿足工業(yè)部門對鋁鍛壓件的需求,年缺口量在4.0萬噸以上。到2015年,由于我國的汽車、飛機、船舶及交通運輸和機械制造業(yè)的大量增加,鋁鍛件的年消耗量可能達到8萬噸/年以上。
市場需求及應(yīng)用前景分析
由以上分析,鋁及鋁合金鍛件的主要用于要求輕量化程度大的工業(yè)部門,根據(jù)當前各國的應(yīng)用情況,主要的市場分布如下。
(1)航空(飛機)鍛件:飛機上的鍛件占飛機材料重量的70%左右,如起落架、框架、肋條、發(fā)動機部件、動環(huán)和不動環(huán)等,一架飛機上所用的鍛件上千種,其中除了少數(shù)高溫部件使用高溫合金和鈦合金鍛件外,絕大部分已鋁化,如美國波音公司,年產(chǎn)飛機上千架,年需消耗鋁合金鍛件數(shù)萬噸。我國殲擊機等軍用飛機和民用飛機也在飛速發(fā)展,特別是大飛機項目的啟動及航母等大項重點項目的實施,需要消耗的鋁鍛件也會逐年增加。
?。?)航天鍛件:航天器上的鍛件主要是鍛環(huán)、輪圈、翼梁和機座等,絕大部分為鋁鍛件,只要少數(shù)鈦鍛件。宇宙飛船、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等的發(fā)展對鋁鍛件的需求日益俱增。如近年來,我國研制的超遠程導(dǎo)彈用AL-Li合金殼體鍛件,每件重達300多公斤,價值幾十萬元。Φ1.5~Φ6mm的各類鋁合金鍛環(huán)的用量也越來越大。
(3)兵器工業(yè):如坦克、裝甲車、運兵車、戰(zhàn)車、火箭彈、炮架、軍艦等常規(guī)武器上使用鋁合金鍛件作為承力件的數(shù)量大大增加,基本代替了鋼鍛件。特別是鋁合金坦克負重輪等重要鍛件已成了兵器器械輕量化、現(xiàn)代化的重要材料。
?。?)汽車是使用鋁合金鍛件最有前途的行業(yè),也是鋁鍛件的最大用戶。主要作為輪轂(特別重型汽車和大中型客車)、保險杠、底座大梁和其它一些小型鋁鍛件,其中鋁輪轂是使用量最大的鋁鍛件,主要用于大客車、卡車和重型汽車上。近年來,在中小型汽車、摩托車和高級轎車上也開始使用。據(jù)統(tǒng)計,世界上幾年來鋁輪轂的用量的年增長速度達20%以上,目前的使用量達數(shù)十億個。
我國剛剛起步,但一汽、二汽等大型汽車企業(yè)正在開始研發(fā),隨著汽車產(chǎn)量的增加(2010年我國汽車產(chǎn)量預(yù)計達到1500萬輛/年,世界汽車產(chǎn)量可能突破7000萬輛/年),鋁輪轂和其它鋁鍛件的用量將會得到驚人的發(fā)展。目前工業(yè)上常用的汽車了鋁合金車輪的制造方法主要有鑄造法和鍛造法兩種。
鑄造法又分為重力鑄造和壓力鑄造法。鑄造法生產(chǎn)的車輪產(chǎn)品的組織致密度和均勻性較差,力學(xué)性能亦較低。制造的精度(厚度)也較差,后續(xù)加工量大,不能滿足高可靠性的輕量化乘用車性能要求,而且無法滿足商用車的車輪的耐沖擊和疲勞壽命及承載能力的要求。
而用鍛造法生產(chǎn)的鋁合金汽車車輪的力學(xué)性能良好,結(jié)構(gòu)強度高,重量輕(壁厚薄),抗沖擊能力高,防腐蝕性能和抗疲勞強度優(yōu)良等優(yōu)點,可以滿足商用車車輪的要求,因此,逐漸成為汽車,特別是高級轎車和大型、重型、豪華型客車與貨車用車輪的首選配件,有逐漸替代鑄造鋁合金車輪的趨勢。如美國鋁業(yè)公司用80MN鍛壓水壓機生產(chǎn)的6061T6汽車輪轂,其晶粒變形流向與受力方向一致,強度與韌性及疲勞強度均大大高于鑄造合金車輪,而重量則減少20%,伸長率可達12%~16%。而且具有相當高的吸震與承壓能力,承受沖擊能力強。
此外,鍛鋁車輪的致密度高,無疏松、針孔,表面無氣孔,具有良好的表面處理性能。涂層均勻一致,結(jié)合力高,色彩調(diào)和美觀。鍛鋁車輪有很好的機械加工性能。由此可見,鍛造鋁車輪具有重量輕、比強度高、韌性和抗疲勞性與抗腐蝕性優(yōu)良,導(dǎo)熱性好,易于機械加工,圓形度好,抗沖擊,使用安全,便于維修,使用成本低,節(jié)能、環(huán)保、美觀耐用等特點,是汽車車輪等交通運輸轉(zhuǎn)動部件的理想材料,有廣闊的應(yīng)用前景。
(5)能源動力工業(yè)上,鋁鍛件會逐漸代替某些鋼鍛件制作機架、護環(huán)、動環(huán)和不動環(huán)以及煤炭運輸車輪、液化天然氣法蘭盤、核電站燃料架等,一般都是大中型鍛件。
(6)船舶和艦艇上使用鋁鍛件作為機架、動環(huán)和不動環(huán)、炮臺架等。
(7)在機械制造業(yè)上,目前主要用于制作木工機械、紡織機械等中的機架、滑塊、連桿及絞線盤等,僅紡織機用絞線盤鋁鍛件,我國每年就需要數(shù)萬件,重1500多噸。
?。?)模具工業(yè)上用鋁合金鍛件制作橡膠模具,鞋模具及其它輕工模具。
?。?)在運輸機械、火車機車工業(yè)上,鋁合金鍛件大量用作氣缸、活塞裙帶等。僅國內(nèi)每年消耗的4032合金的氣缸和活塞裙等鍛件達數(shù)萬件。
?。?0)其它方面,如電子通訊、家用電器、文體器材等方面也開始使用鋁鍛件替代鋼、銅等材料的鍛件。
結(jié)語
?。?) 鍛壓生產(chǎn)是向各工業(yè)部門提供機械零件毛坯的重要途徑之一,在國民經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展和國防軍工現(xiàn)代化中占重要的地位并起著特殊的作用。
(2)由于鋁合金鍛件具有一系列優(yōu)良特性,其應(yīng)用范圍越來越廣泛,市場潛力巨大,應(yīng)用前景很好。特別是在制作飛機關(guān)鍵部件和汽車車輪方面有廣闊應(yīng)用前景。
?。?)鍛壓生產(chǎn)的歷史悠久,但發(fā)展速度較壓延和擠壓來說相對緩慢。近幾十年來,鋁合金鍛壓生產(chǎn)和技術(shù)在國外已取得重大進展,而我國的發(fā)展水平和國外相比仍存在較大差距,應(yīng)盡快提高我國鋁合金鍛壓生產(chǎn)的工藝水平和工藝裝備水平,并抓緊建設(shè)若干條60MN~800MN現(xiàn)代化鋁合金鍛壓液壓機生產(chǎn)線,以縮小與國外先進水平的差距,最大程度滿足國內(nèi)外市場的需求,向鋁鍛壓大國強國邁進。擴孔機