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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(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。
?、?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。
?。?）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。
（2）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。
?。?）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性能良好，結(jié)構(gòu)強度高，重量輕（壁厚?。?，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。
?。?）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。
?。?）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
（1） 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。
?。?）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