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铝合金前景甚好

  随着我国交通运输业向现代化、高速化方向发展,交通运输工具的轻量化要求日趋强烈,以铝代钢的呼声越来越大,特别是轻量化程度要求高的飞机、航天器、铁道车辆、地下铁道、高速列车、货运车、汽车、舰艇、船舶、火炮、坦克以及机械设备等重要受力部件和结构件,近几年来大量使用铝及铝合金锻件和模锻件以替代原来的钢结构件,如飞机结构件几乎全部采用铝合金模锻件;汽车(特别是重型汽车和大中型客车)轮毂、保险杠、底座大梁;坦克的负重轮;炮台机架;直升机的动环和不动环;火车的气缸和活塞裙;木工机械机身;纺织机械的机座、轨道和绞线盘等等都已应用铝合金模锻件来制造。而且,这些趋势正在大幅度增长,甚至某些铝合金铸件也开始采用铝合金模锻件来代替。

  目前,世界上大型锻压液压机为数不多,中国更是寥寥无几,随着国防工业的现代化和民用工业特别是交通运输业的发展,铝合金模锻件的品种和产量,不仅不能满足国内市场的需要,国际市场也有很大缺口。因此,我国抓紧建设几条大、中型铝合金锻压生产线是十分必要的、及时的,对国民经济的高速发展和国防军工现代化有重要的现实意义和长远意义。

  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,无论在工业装备上,模具设计和制造上,生产工艺和技术上,还是在产品品种规格、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、瑞士等国的锻压生产的发展达到了相当高的水平。

  目前,全世界有锻压厂上千家,锻压机数千台,年产锻件近500万吨/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10余台。300MN以上的重型锻压机的分布情况是:俄国4台。其中一台是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,俄国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。

  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。

  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。据嘉德铝锻件悉,工艺装备的自动化水平和工艺技术水平也相对落后。由于近年来,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。

  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。

  由于铝及铝合金锻件具有以上一系列的优越性,在航空航天、汽车、船舶、交通运输、兵器、电讯等工业部门备受青睐,应用范围越来越广泛。据初步统计,1985年铝锻件占世界锻件总产量的0.5%(即1.8万吨),2008年上升到18%左右,目前,世界上消耗锻件450万吨左右,其中铝锻件占了80万吨/年左右;钛锻件和高温合金锻件大约占1.5%(即1.8万吨/年左右);钢锻件依然占绝大多数。

  从铝加工工业的角度来看,目前全世界的铝产量(包括再生铝)为5000万吨/年左右,其中85%要变成加工材,即目前世界上加工材年产量为4000万吨左右,其中板、带、箔材占57%左右,挤压材占38%左右。铝合金锻造材由于成本较高,生产技术难度较大,仅在特别重要的受力部位才应用,所占比重不大。但是,铝锻造材是增长速度最快的铝材,近十多年来,由于军工和民用工业,特别是交通运输业现代化和轻量化的需要,以铝代钢的要求十分迫切,因而,铝锻件的品种和应用都得到了迅猛的增长。其在铝材中的比例已由1985年的0.5%增加到了2009年的2.5%,即80万吨/年左右。

  据嘉德铝锻件悉,为了满足军工和民用各部门对铝和铝合金锻件日益增长的要求,世界各国都集中人力、物力和财力发展铝锻压生产,设计和制造各种锻压设备,特别是大中型水(液)压锻压机。但是由于锻压设备比较贵,制造周期长,锻件生产技术也比较复杂,因而很难满足市场需要。目前世界上铝锻件的生产能力大约为80万吨/年左右,不能满足消费量100万吨/年的需求。中国由于大、重型水(液)压锻造设备少,生产能力低,远远不能满足工业部门对铝锻压件的需求,年缺口量在4.0万吨以上。到2015年,由于我国的汽车、飞机、船舶及交通运输和机械制造业的大量增加,铝锻件的年消耗量可能达到8万吨/年以上。

  锻压生产是向各工业部门提供机械零件毛坯的重要途径之一,在国民经济持续高速发展和国防军工现代化中占重要的地位并起着特殊的作用。由于铝合金锻件具有一系列优良特性,其应用范围越来越广泛,市场潜力巨大,应用前景很好,最大程度满足国内外市场的需求,向铝锻压大国强国迈进。

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