同力技術-鋁合金鍛壓生產及鍛件的應用

全面系統深入地介紹了鋁合金鍛造壓生產在國民經濟中的重要地位，生產現狀及發展水平，分析了鍛件的市場需求及應用前景，建議我國抓緊建設幾條大、中型鋁合金鍛壓生產線是十分必要的，這對國民經濟的高速持續發展和國防軍工現代化有重大的現實意義和長遠意義。

1.鍛壓生產在國民經濟中的重要地位

鍛壓生產是向各個工業行業提供機械零件毛坯的主要途徑之一。鍛壓生產的優越性在于：它不但獲得機械零件的形狀，而且能改善材料的內部組織，提高力學性能。一般來講，對于受力大、力學性能要求高的重要機械零件，多數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%，電力工業中水輪機主軸、透平葉輪、轉子、護環等均是鍛壓而成。從這些例子可以看出，鍛壓生產在工業行業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點，已大量使用在各個工業部門，鋁合金鍛壓件已成為各個工業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。對于大型復雜的整體結構的鋁鍛件則非采用大型模鍛液壓機來生產不可。對于大型精密環形件則宜用精密軋環機軋鍛。特別是近十年來，隨著科學技術的進步和國民經濟的發展，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、復雜精密化的方向發展，大大促進了大中型液壓機和鍛環機的發展。

隨著我國交通運輸業向現代化、高速化方向發展，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、坦克以及機械設備等重要受力部件和結構件，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構件，如飛機結構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；直升機的動環和不動環；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不多，中國更是寥寥無幾，隨著國防工業的現代化和民用工業特別是交通運輸業的發展，鋁合金模鍛件的品種和產量，不僅不能滿足國內市場的需要，國際市場也有很大缺口。因此，我國抓緊建設幾條大、中型鋁合金鍛壓生產線是十分必要的、及時的，對國民經濟的高速發展和國防軍工現代化有重要的現實意義和長遠意義。

2鋁合金鍛壓件的特性及應用領域

2.1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。

②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鍵受力部件，其綜合性能遠遠高于其它材料。

③內部組織細密、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，大大節省工時和成本。 

⑤鋁鍛件具有良好的耐蝕性、導熱性和非磁性，這些都是鋼鍛件無法比擬的。 

⑥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鋁合金鍛件的應用領域

近幾年來，由于鋁材成本下降，性能提高，品種規格擴大，其應用領域越來越大。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鋁合金鍛壓生產技術與發展水平

3.1國外發展狀況與水平分析 

鍛件生產是一個很古老的行業，但鋁合金鍛件的大量生產應用是從1950年代開始的。經過幾十年的現代化改造，無論在工業裝備上，模具設計和制造上，生產工藝和技術上，還是在產品品種規格、生產規模和質量等方面都得到飛速發展，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的發展達到了相當高的水平。

目前，全世界有鍛壓廠上千家，鍛壓機數千臺，年產鍛件近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構緊湊、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、有利于連續作業、生產效率高。

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備，配備了PLC系統和計算機控制系統，可對能量、行程、壓力、速度進行自動調節，對關鍵部件最佳工作點進行控制，對各項工作狀態進行監控和顯示，對系統故障、設備過載、過溫和失控等進行預報和保護，對制品質量進行控制。有的還包括有偏移檢測、同步系統、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，可實現全機或全機列，甚至整個車間的自動控制與科學管理。

除此以外為了生產各種規格和品種的大、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的大型精密軋環機，如美國的Φ12M、俄國的Φ10M精密軋環機，中國也裝備了多臺Φ5M的精密軋環機。 

在鋁及鋁合金鍛件技術方向研制開發出了大量的鍛壓新工藝、新技術，如液體模鍛、半固態模鍛、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、節省能耗、擴大品質、增加規格、提高質量和生產效率、保護環境、降低勞動強度、提高經濟效益等方面發揮了重大作用。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，控制制品尺寸和內部組織、力學性能等提供了可靠的保證。 

模鍛的設計與制造是鋁合金鍛壓技術的關鍵，鍛件CAD/CAM/CAE系統已十分成熟和普及，在美國，CAD/CAM/CAE系統正被CIM（計算機一體化）所代替。CIM包括成套技術、計算機技術、CAD/CAM/CAE技術、機器人、專家系統、加工計劃、控制系統以及自動材料處理等，為模鍛件的優化設計和工藝改進提供了條件。如汽車工業上，對前梁、羊角、輪轂、曲軸等零件進行設計和工藝過程優化，可使優化設計后的羊角減重15%，輪轂減重30%，曲軸減重20%，而且大大提高生產效率，降低能耗。 

在產品品種和質量上獲得了突破性進展，目前世界上研制開發的鍛造鋁合金有上百種，十幾個狀態，可大批量生產不同合金、不同狀態、不同性能、不同功能、各種形狀、各種規格、各種用途的鋁合金鍛件，規模在30000噸/年以上的大型企業已有十來家。目前世界上可生產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，最大的鍛環直徑達11.5m，基本上可滿足最大的飛機、飛船、火箭、導彈、衛星、航艇、航母以及發電設備、起重設備等的需要。產品的內部組織、力學性能和尺寸精度也能滿足各種用戶要求，在產品開發上達到了相當高的水平。

由于近年來，除中國正在建設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代化的大、中型鋁鍛壓生產線。

3.2國內發展現狀和水平分析 

鍛壓生產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。解放前，鍛壓生產十分落后。解放后，鍛壓生產迅速發展，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軋環機2臺，鋁鍛件年生產能力僅為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。產品品種相對較少，例如工業發達國家的模鍛件已占全部鍛件的80%左右，我國只占30%左右。國外模鍛件的設計、模具制造方面已引入計算機技術、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水平也相對落后。

根據以上分析可知，目前我國鋁合金鍛壓工業，無論在技術裝備上、模具設計與制造上、產品產量與規模上、生產效率與批量化生產上、產品質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，我國應集中人力、物力和財力，盡快提高我國鋁合金鍛壓生產的工藝裝備水平和生產工藝水平，并盡快新建若干條大中型現代化鋁合金鍛壓液壓機生產線，以盡快縮小與國外先進水平的差距，最大程度地滿足國內外市場的需求。可喜的是，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。

4鋁合金鍛件的技術開發及應用前景分析 

4.1鋁合金鍛件的產、消情況分析

由于鋁及鋁合金鍛件具有以上一系列的優越性，在航空航天、汽車、船舶、交通運輸、兵器、電訊等工業部門備受青睞，應用范圍越來越廣泛。據初步統計，1985年鋁鍛件占世界鍛件總產量的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。 

從鋁加工工業的角度來看，目前全世界的鋁產量（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，生產技術難度較大，僅在特別重要的受力部位才應用，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，特別是交通運輸業現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、物力和財力發展鋁鍛壓生產，設計和制造各種鍛壓設備，特別是大中型水（液）壓鍛壓機。但是由于鍛壓設備比較貴，制造周期長，鍛件生產技術也比較復雜，因而很難滿足市場需要。目前世界上鋁鍛件的生產能力大約為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）壓鍛造設備少，生產能力低，遠遠不能滿足工業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的大量增加，鋁鍛件的年消耗量可能達到8萬噸/年以上。

4.2市場需求及應用前景分析

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部門，根據當前各國的應用情況，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、發動機部件、動環和不動環等，一架飛機上所用的鍛件上千種，其中除了少數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，年產飛機上千架，年需消耗鋁合金鍛件數萬噸。我國殲擊機等軍用飛機和民用飛機也在飛速發展，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。

（2）航天鍛件：航天器上的鍛件主要是鍛環、輪圈、翼梁和機座等，絕大部分為鋁鍛件，只要少數鈦鍛件。宇宙飛船、火箭、導彈、衛星等的發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的各類鋁合金鍛環的用量也越來越大。

（3）兵器工業：如坦克、裝甲車、運兵車、戰車、火箭彈、炮架、軍艦等常規武器上使用鋁合金鍛件作為承力件的數量大大增加，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、現代化的重要材料。

（4）汽車是使用鋁合金鍛件最有前途的行業，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。據統計，世界上幾年來鋁輪轂的用量的年增長速度達20%以上，目前的使用量達數十億個。

我國剛剛起步，但一汽、二汽等大型汽車企業正在開始研發，隨著汽車產量的增加（2010年我國汽車產量預計達到1500萬輛/年，世界汽車產量可能突破7000萬輛/年），鋁輪轂和其它鋁鍛件的用量將會得到驚人的發展。目前工業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。鑄造法生產的車輪產品的組織致密度和均勻性較差，力學性能亦較低。制造的精度（厚度）也較差，后續加工量大，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。

而用鍛造法生產的鋁合金汽車車輪的力學性能良好，結構強度高，重量輕（壁厚薄），抗沖擊能力高，防腐蝕性能和抗疲勞強度優良等優點，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。如美國鋁業公司用80MN鍛壓水壓機生產的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，結合力高，色彩調和美觀。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良，導熱性好，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，節能、環保、美觀耐用等特點，是汽車車輪等交通運輸轉動部件的理想材料，有廣闊的應用前景。 

（5）能源動力工業上，鋁鍛件會逐漸代替某些鋼鍛件制作機架、護環、動環和不動環以及煤炭運輸車輪、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、動環和不動環、炮臺架等。

（7）在機械制造業上，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，我國每年就需要數萬件，重1500多噸。

（8）模具工業上用鋁合金鍛件制作橡膠模具，鞋模具及其它輕工模具。

（9）在運輸機械、火車機車工業上，鋁合金鍛件大量用作氣缸、活塞裙帶等。僅國內每年消耗的4032合金的氣缸和活塞裙等鍛件達數萬件。

（10）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。

5結論

(1)鍛壓生產是向各工業部門提供機械零件毛坯的重要途徑之一，在國民經濟持續高速發展和國防軍工現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良特性，其應用范圍越來越廣泛，市場潛力巨大，應用前景很好。特別是在制作飛機關鍵部件和汽車車輪方面有廣闊應用前景。

(3)鍛壓生產的歷史悠久，但發展速度較壓延和擠壓來說相對緩慢。近幾十年來，鋁合金鍛壓生產和技術在國外已取得重大進展，而我國的發展水平和國外相比仍存在較大差距，應盡快提高我國鋁合金鍛壓生產的工藝水平和工藝裝備水平，并抓緊建設若干條60MN～800MN現代化鋁合金鍛壓液壓機生產線，以縮小與國外先進水平的差距，最大程度滿足國內外市場的需求，向鋁鍛壓大國強國邁進。