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鋁合金鍛壓生產(chǎn)及鍛件的應(yīng)用

2017-06-25 22:36:09    作者:  閱讀:

中國鋁業(yè)網(wǎng)】摘要:全面系統(tǒng)深入地介紹了鋁合金鍛壓生產(chǎn)在國民經(jīng)濟中的重要地位,生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展水平,分析了鍛件的市場需求及應(yīng)用前景,建議我國抓緊建設(shè)幾條大、中型鋁合金鍛壓生產(chǎn)線是十分必要的,這對國民經(jīng)濟的高速持續(xù)發(fā)展和國防軍工現(xiàn)代化有重大的現(xiàn)實意義和長遠(yuǎn)意義。
  關(guān)鍵詞:鋁合金鍛壓生產(chǎn);大、中型鋁合金鍛件;生產(chǎn)技術(shù);發(fā)展水平;應(yīng)用開發(fā);飛機鋁鍛件;汽車鋁車輪
  
  1鍛壓生產(chǎn)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(yán)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(fù)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(yuǎn)意義。
  
  2鋁合金鍛壓件的特性及應(yīng)用領(lǐng)域
  
  2.1鋁合金鍛壓件的特性
  
 ?、倜芏刃?,只有鋼鍛件的34%,銅鍛件的30%,是輕量化的理想材料。
  
 ?、诒葟姸却?、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(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它材料。
  
 ?、蹆?nèi)部組織細(xì)密、均勻、無缺陷,其可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁合金鑄件和壓鑄件,也高于其它材料鑄件。
  
 ?、茕X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。
  
 ?、蒌X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。
  
 ?、薇砻婀鉂?、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。
  
  2.2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。主要鍛造鋁合金的特征及用途見表1。
  
  3鋁合金鍛壓生產(chǎn)技術(shù)與發(fā)展水平
  
  3.1國外發(fā)展?fàn)顩r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(dāng)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。
  
  表1鍛造鋁合金的特性及用途
  
  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(dāng)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。
  
  3.2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2.5m2(鋁合金)及1.5m2(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。



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