铝合金锻压生产与技术的发展趋向

铝合金锻压生产与技术的发展趋向西南铝业（集团）有限责任公司 刘静安 王文志 罗立新内容提要：铝合金锻件具有一系列的优异特性，在航空航天、交通运输和动力能源等部门获得了广泛的应用。

铝合金锻压生产和优质锻件在国民经济和国防军工上占有特殊的重要地位。

本文在简略介绍国内外铝合金锻压生产和技术发展现状与水平分析的基础上，着重论述了铝合金锻压生产和技术的发展趋向和前景。

关键词：铝合金；锻压生产与技术；锻件的品种和质量；发展趋向；应用前景1 引言经过几十年建设与现代化改造，世界铝及铝合金锻压生产与技术有了突飞猛进的发展，已经形成了一个门类齐全结构完整的铝合金锻压生产体系和科研体系，产品品种和质量基本上能满足国民经济和国防军工建设的需求。

但是，铝合金锻压生产和技术及铝合金锻压产品较之铝轧制材（板、带、条、箔材）和挤压材（管、棒、型、线材）来说，仍然规模很小，在铝材中所占比例很低（2%-3%）。

铝合金锻件是航空航天、交通运输业、新型能源等部门制作关键受力部件的不可或缺的材料，在国民经济和国防军工工业中占有特殊重要地位。

随着航空航天（特别是大型飞机）、现代交通运输业（特别是现代汽车、高速轨道车辆和大型舰船）、新型能源等工业的发展，特别是近几年来节能、环保、安全等对轻量化要求的剧增，以铝代钢、以铝代铜，以锻代铸已成为很多工业部门的发展趋向。

具有密度小，比强度、比刚度高，耐腐蚀、抗疲劳、有良好加工性能和使用性能的铝合金锻件将得到越来越广泛的应用，铝合金锻压生产和技术必然要迎来一次发展的高潮。

本文在简略介绍国内外铝合金锻压生产和技术发展现况的基础上，着重展望铝合金锻压生产和技术的发展趋向。

2 铝合金锻压生产技术与发展水平分析2.1 国外发展状况与水平分析锻件生产是一个很古老的行业，但铝合金锻件的大量生产应用是从1950年代开始的。

经过几十年的现代化改造，无论工艺装备、模具设计和制造、生产工艺和技术，还是产品品种规格、生产规模和质量等方面都得到飞速发展，尤其是美国、俄国、德国、日本、法国、意大利、捷克、奥地利、瑞士等国锻压生产的发展达到了相当高的水平。

目前，全世界有锻压厂上万家，锻压机数万台，年产锻件近1000万吨/年，其中，铝合金模锻件30万吨/年左右（年消耗近50万吨/年）。

全球有大小水（液）压机500余台，其中100MN 以上的大型水（液）压机30台左右。

300MN以上的重型锻压机的分布情况是：俄罗斯4台，其中两台是750MN，为世界之最；美国5台（其中包括2台450MN）；法国1台，为650MN；德国2台；中国1台（中国正在建设和制造450MN和800MN巨型模锻液压机）；罗马尼亚1台；英国1台。

这些大型水（液）压机的主要特点是结构紧凑、功能多、自动化程度高、配备有操作机和快速换模装置、平面配置合理、有利于连续作业、生产效率高。

此外随着铝合金模锻件大型化、精密化程度提高，大型精密多向模锻液压机日益受到重视，各国已拥有多台大型多向模压液压机，其中美国3台，最大为300MN；法国1台为650MN；英国1台为300MN；中国1台为100MN，俄罗斯2台为200MN 和500MN；德国1台为350MN。

多向模锻机属于精密锻压设备，配备了PLC系统和计算机控制系统，可对能量、行程、压力、速度进行自动调节，对关键部件最佳工作点进行控制，对各项工作状态进行监控和显示，对系统故障、设备过载、过温和失控等进行预报和保护，对制品质量进行控制。

有的还包括有偏移检测、同步系统、工作台和机架变形补偿、磁包存储器、集成电路、光纤通讯、彩色屏等，可实现全机或全机列，甚至整个车间的自动控制与科学管理。

除此以外为了生产各种规格和品种的大、中型精密锻件，各国还装配了各种型号的精锻机，50吨以上的大型锻锤、平锻机及Φ5～Φ12M的大型精密轧环机，如美国的Φ12M、俄国的Φ10M精密轧环机，中国也装备了多台Φ5M的精密轧环机。

在铝及铝合金锻件技术方向研制开发出了大量的锻压新工艺、新技术，如液体模锻、半固态模锻、等温锻造、粉末锻造、多向锻造、无斜度精密模锻、分部模锻、包套模锻等，对简化工艺、减少工序、节省能耗、扩大品质、增加规格、提高质量和生产效率、保护环境、降低劳动强度、提高经济效益等方面发挥了重大作用。

专用的计算机软件对控制锻造温度、锻压力、变形程度（欠压力）和工艺润滑等主要工艺参数，控制制品尺寸和内部组织、力学性能等提供了可靠的保证。

模锻的设计与制造是铝合金锻压技术的关键，锻件CAD/CAM/CAE系统已十分成熟和普及，在美国，CAD/CAM/CAE系统正被CIM（计算机一体化）所代替。

CIM包括成套技术、计算机技术、CAD/CAM/CAE技术、机器人、专家系统、加工计划、控制系统以及自动材料处理等，为模锻件的优化设计和工艺改进提供了条件。

如汽车工业上，对前梁、羊角、轮毂、曲轴等零件进行设计和工艺过程优化，可使优化设计后的羊角减重15%，轮毂减重30%，曲轴减重20%，而且大大提高生产效率，降低能耗。

在产品品种和质量上获得了突破性进展，目前世界上研制开发的锻造铝合金有上百种，十几个状态，可大批量生产不同合金、不同状态、不同性能、不同功能、各种形状、各种规格、各种用途的铝合金锻件，规模在30000吨/年以上的大型企业已有十来家。

目前世界上可生产的铝合金模锻件的最大投影面积达5m2（750MN），最长的铝锻件达15m，最重的铝锻件达1.5吨，最大的锻环直径达11.5m，基本上可满足最大的飞机、飞船、火箭、导弹、卫星、航艇、航母以及发电设备、起重设备等的需要。

产品的内部组织、力学性能和尺寸精度也能满足各种用户要求，在产品开发上达到了相当高的水平。

近年来，除中国正在建设450MN和800MN巨型模锻机外，世界各国在大、中型锻压机的新建和改造方面力度不大，因此，总的来说，世界铝合金锻件的生产尚不能满足交通运输轻量化对铝锻件的需求，有必要新建若干条现代化的大、中型铝锻压生产线。

2.2 国内发展现状和水平分析锻压生产在我国有悠久的历史，3300多年以前的殷墟文化早期，锻压已用于兵器生产。

解放前，锻压生产十分落后。

解放后，锻压生产迅速发展，180MN以下的自由锻水压机、300MN模锻水压机、160KN以下的模锻锤、16000KN以下的摩擦压力机、8000KN以下的热模锻压机已成系列装备了各锻压厂。

但到目前为止，我国铝加工企业仅有300MN、100MN、60MN、50MN、30MN10台大、中型铝锻压水（液）压机和1台100MN多向模压水压机及Φ5m轧环机2台，铝锻件年生产能力仅为20000吨左右，最大模锻件投影面积为2.5 m2（铝合金）及1.5 m2（钛合金），最大长度为7m，最大宽度为 3.5m，锻环最大直径Φ6m，以及盘径为Φ534mm-Φ730mm的铝合金绞线盘和Φ650mm左右的汽车轮箍。

产品品种相对较少，例如工业发达国家的模锻件已占全部锻件的80%左右，我国只占30%左右。

国外模锻件的设计、模具制造方面已引入计算机技术、模锻CAD/CAM/CAE和模锻过程仿真已进入实用化阶段，而我国很多锻压厂在这方面才刚刚起步。

工艺装备的自动化水平和工艺技术水平也相对落后。

根据以上分析可知，目前我国铝合金锻压工业，无论在技术装备上、模具设计与制造上、产品产量与规模上、生产效率与批量化生产上、产品质量与效益等方面都与国外先进水平存在较大差距。

不仅不能满足国内外市场对铝合金锻件日益增长的需求，更跟不上交通运输（如飞机、汽车、高速火车、轮船等）轻量化要求以铝锻件代替钢锻件的步伐。

为此，我国应集中人力、物力和财力，尽快提高我国铝合金锻压生产的工艺装备水平和生产工艺水平，并尽快新建若干条大中型现代化铝合金锻压液压机生产线，以尽快缩小与国外先进水平的差距，最大程度地满足国内外市场的需求。

可喜的是，随着我国大飞机项目及航母以及其他大型重点项目的实施，正在建造200MN重型卧式挤压机和450MN和800MN巨型立式模锻液压机，向世界铝合金锻压大国和强国迈进。

2.3 国内外发展水平对比与差距分析目前，我国规模大、装备最先进、品种最齐全的铝合金锻压生产企业应数中铝公司下属的西南铝加工厂，拥有世界级的300MN立式模锻水压机，100MN多向模锻水压机和60MN锻造水压机及配套齐全的辅助设备，是一个专为航天航空等部门提供高质量铝合金锻件和模锻件的工厂。

美国是目前世界上铝合金锻压生产和技术最发达的国家之一，美铝公司下属的克里弗兰锻造厂是最具代表性的铝合金锻造企业，拥有30、40、80、150、350、500MN 等多台锻造水压机；7-10、13、16、20、25-30、40-60MN机械压力机及6、8、18、36、110、150MN 等锻锤以及先进的配套齐全的辅助设备与公用设施。

下面以这两个工厂为代表，对我国铝合金锻压生产技术与国际先进水平进行对比分析。

2.3.1 从总体来看从规模、产能、品种和质量等总体情况来看，克里弗兰锻造厂的规模比西南铝加工材大得多（5倍以上），品种也更多，规格范围更大，用途更广泛，生产效率和产品质量更高，因而，经济效益会更好。

而且两个企业的差距相当大。

2.3.2 从技术质量层面看● 锻造制坯方面锻造制坯是一个十分重要的工序，影响到整个锻造过程的生产效率、产量、产品品种和质量水平。

克里弗兰锻造厂制坯主要在30MN锻造水压机上完成，该设备小巧灵活、生产效率高，工作台上有一个模座和多个辅助模座，适于坯料锻打、镦粗、旋转和翻滚，特别是对形状复杂的大型锻件，需要频繁移动和翻滚，反复压扁、拔长、镦粗，十分适合；配有先进灵活的操作机。

具有操作方便、安全、省力、劳动效率高、坯料质量好等优点。

西南铝加工厂锻造制坯是在60MN锻造水压机上完成的，设备能力大（实际上每道次的锻压力很小），不灵活，配备的有轨锻造车不灵活，移动和翻滚不方便，需要多名工人配合才能完成，既费力，又不安全，生产效率很低，坯料质量粗糙，由上可见，二者在制坯工序上存在很大差距。

● 模锻成形方面模锻是锻造成形的关键工序。

二者的差距主要表现在自动装卸料和润滑技术方面。

坯料的出炉，装模与出模，克里弗兰锻造厂均为无轨操作车（即装卸料机械操作手），只有大型模具的装卸才用天车。

而西南铝加工厂全部采用天车装卸坯料和工模具。

每模锻一个料，需要开动水动机，移动工作台一次，台班生产效率低下。

如果用300MN水压机生产投影面积为0.5m2的铝模锻件时，克里弗兰锻造厂平均每小时可模锻12件，而西南铝加工厂的平均只有6件，效率差50%。

此外，由于频繁移动工作台，加速工作台和控制阀的磨损，使设备故障频繁，大大降低了设备的有效工作时间，不仅生产效率低，成本也会大幅上升。

为了改善在锻模模腔中的流动特性，防止金属粘模，铝合金模锻时必须使用润滑剂，润滑是铝模锻工艺的关键技术之一，直接影响锻件的内部质量，外表质量及生产效率，因此，世界各国都非常重视润滑技术（包括润滑剂和润滑方式）的开发。