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四、“十三五”期间锻造行业的发展与需求分析

模锻是锻造重要的组成部分,模锻按锻造温度分为热锻、温锻和冷锻。模锻行业永恒追求的是热、温和冷精锻。但独立的热、温和冷精锻成形技术都有其不可克服的弱点,为此开发使用温/热精锻、冷/热精锻、温/冷精锻技术或三种工艺复合锻造技术成为了当前的主要目标。这些复合工艺不但具有节材和节能,以及提高零件产品力学性能和改善环境等优点,还具有使金属塑性成形性能更好、变形抗力小,可以实现连续生产,生产效率更高的优势。

精锻技术是先进制造技术的重要组成部分之一,精锻技术的进步必然促进金属加工技术的快速发展。根据美国国家生产力委员会调查,在企业生产力的构成中,制造技术的作用占62%。为获得所需零件,约70%以上金属材料需经过塑性成形(含热、温和冷)为主的加工方式加工。从这个意义上讲,全面发展热、温与冷精锻技术具有重要的战略和现实意义。

积极发展热、温和冷精锻技术和复合精锻技术的同时,当前和未来一段时间内必须重点发展温/热精锻技术,建立以结构钢和高强轻金属为主的温/热精密锻件材料的线膨胀系数、抗拉强度和屈服强度、反映热力学性能的真实应力—应变关系曲线或本构关系等数据库。 以粘塑性有限元理论为基础,研究温/热精锻逆向设计方法,以现有体积成形模拟软件为平台,开发温/热精密模锻优化设计的模拟分析系统。完善黑色金属温/热精锻工艺,扩大多工位温/热精锻和闭式无飞边温/热精锻工艺应用的范围。进一步研究高强度轻金属流动控制成形新技术,推广其应用范围。掌握和推广应用温/热精锻模CAD/CAM技术。开发多工位和双动/三动温/热精锻压力机(包括机械压力机和高精高效液压机)。开发无污染的新型润滑剂和自动化润滑技术及装置。开发并推广应用温/热精锻自动化生产技术,建立自动化生产线。 建立温/热精锻成形工艺技术规范与标准。

精锻技术应用前景十分广泛,要解放思想,拓展应用。要积极发展航空航天飞行器关键零件高强度难加工材料的温/热精密锻造,以及轿车零件轻量化温/热精锻成形和基于亚微米、微米尺寸级别的温/热微成形和高温高压条件下陶瓷金属材料的精密锻造等。在发展小型锻件温热精锻的基础上,向大中型锻件温热精锻发展,由单个锻件温热精锻向一个部件中的主要零件都采用温热精锻集成方向发展。注重开发轨道交通领域、坦克及装甲车等高速重载承力件的精锻生产,取代铸钢件以提高其力学性能。开发生产轿车悬挂系统的转向节、左/右转向臂、左/右拉杆、轮圈和连杆铝合金锻件,以高强度铝合金取代结构钢实现轻量化。发展大功率发动机和轿车无噪声空调压缩机等中高硅铝合金零件,以热精密锻件取代压铸件以提高其内在与表面质量,开发以整体精锻成形取代两个或两个以上的零件焊接或铆接或螺纹连接为一整体的分体制造。研究板锻与管锻成形,实现以薄代厚、以空代实的轻量化制造;积极使用成形过程数值模拟及工艺参数优化技术,实现锻造工艺的持续改进。下表列出了未来主要的精密模锻技术与产品应用范围。


材料对模锻生产影响巨大。应开展新材料成分、热变形行为、缺陷和组织性能控制研究。研究材料成分与组织性能关系。冶铸与锻造及锻造与热处理界面的技术研究需要加强。非调质钢应用的基础研究应受到重视。建立非调质钢材料指标,包括锻造工艺参数的规范、锻后控冷参数、锻后工序工艺参数和缺陷的评定标准。与此同时,也需要统一调质钢金相组织的评定标准,统一国标GB/T3077力学性能调质试验标准中淬火油的牌号,确定淬火油的冷却特性检测及标准范围,用于统一行业内的热处理规范。

自由锻也是锻造业的重要组成部分,自由锻技术发展以突出节能、节材为主线,以发展材料、锻造工艺、热处理和机加工一体化研究为突破口发展技术。自由锻中的大锻件锻造技术与产品质量是衡量自由锻造行业水平的重要标志。

“十三五”期间,需要集中解决火电和核电全系列锻件,包括核电用泵、阀、管板及其隔板等的锻造成形。要特别重视核电适用的量少、价高的特种中小型锻件开发和生产。“十三五”期间,要能彻底国产化发电机转子、汽轮机轴、高档轧辊和船用低速曲轴锻件,特别要在产品质量稳定性和控制成本上有重大进步,克服用户使用的不安全感,从而在国际市场上确立有利竞争地位。大口径厚壁无缝钢管和大型环件,未来随着电力的发展,高档大口径厚壁无缝钢管和大型环件仍有一定的发展空间,依据当前的情况看,大锻件未来技术发展主要集中在超超临界转子用9-12Cr超纯净钢冶炼工艺;大型特种Ni 基、稀土特钢钢锭的冶炼控制和浇铸技术,实现数字化在线控制炼钢工艺。通过冶炼及浇铸专家诊断分析系统研究,完善电炉冶炼、钢包精炼及大钢锭浇铸的智能控制系统,实现工艺设计及冶炼、浇铸全过程计算机控制,稳定控制大锻件冶金质量,化学成份【C】稳定控制在0.01%偏差范围内,偏析不大于1.04,【H】不大于1ppm,合金结构钢【O】不大于15ppm。建立大锻件锻造过程关键质量指标控制体系,开发在线检测自动化系统和装置,实现大锻件锻造过程中的数字化在线检测。集中研究船用中、低速柴油机曲轴毛坯低成本锻造工艺,集中解决锻造工艺和成本控制方案。建立大直径筒节锻造与轧制复合工艺推广的相关制度(首台套保险制度;增值税优惠政策等)。推动90万千瓦以上级双18护环锻件在国内用户的使用和工艺完善;推动电力企业采用国产发电机转子与汽轮机转子等特大型锻件;开展大型钢锭材料成分、宏观偏析、纯净度及冶金缺陷等精确控制技术研究、大锻件内部夹杂缺陷、裂纹缺陷以及粗晶、混晶等材料组织缺陷形成机制及控制技术研究等等,并要在材料、冶铸、锻造和热处理等单项技术的基础上,加强大锻件制造全流程的技术集成研究。建立特种材料技术标准体系,加快制定特定零件的国内技术质量标准,编制在国际上适用的中英文对照行业协会标准,实现标准国际化。国家应设立课题,发挥中国锻压协会大锻件理事会作用,组织开展切实的调查研究,确定炼钢质量控制和锻造难点(包括加热、锻造、热处理及检验工序)。国家利用购买服务的形式,发挥行业协会或中介机构的作用,推动组建基于技术层面上的大锻件开发制造一条龙机构。建立由电力、船舶和冶金企业与大锻件生产企业标准制订、技术开发联盟,实现用户与制造商的联动,推进用户企业参与同步开发。

研究和推广锻造产业关键工艺和装备,以及模具和生产制造系统的自动化、数字化和信息化整体集成解决方案、核心技术研发需求会逐步加大。提升锻造行业智能化制造水平。研究开发锻造装备,配备嵌入式的锻造材料数据库和锻造工艺智能化软件、智能化锻造车间的锻造生产管理系统及软件、锻造车间环境监测智能管理系统;大力推动锻造行业制造执行系统(MES)与企业资源计划管理系统(ERP)的广泛和正确使用。

模具加工设备是保障模具质量的重要基础,高精度模具加工设备仍然是行业追求的目标。目前硬度低于70HRC复杂型面的加工精度能达到0.01毫米,将硬度高于76HRC的模具加工精度提高至0.001毫米,对于模具加工来说是个革命。开发低成本弹性变形近零的冷作锻造用模具钢,将有助于大大提高精密成形产品精度。高速铣的使用将稳步发展,逐渐扩大。低档的模具雕铣将会在较大范围替代传统的放电加工。随着雕铣机性能的不断提升,将会挤占一部分本应是高速铣的市场份额。

绿色挤压生产是挤压装备与技术发展的主要趋势之一,高效低能耗挤压装备系列化,形成系列化行业标准在行业内全面推广显得尤为重要。建立挤压过程能耗计算理论体系,推动挤压工艺技术的发展必须引起重视。绿色挤压生产装备智能化,在建立挤压过程能耗计算理论体系的基础上,结合目前网络技术和计算机控制技术,通过程序研究,建立绿色挤压生产装备能效智能管理系统,提高挤压装备的智商。

加强大中型全液压径向锻造压机设计开发。以大中型全液压径向锻造装备为研究对象,通过理论分析和技术研究,解决径向锻造装备的关键技术难题,掌握核心技术。在研制大中型径向锻造装备的同时也必须要开展相应的锻造工艺研究。

大型模锻压机的增压技术应得到重视。近年来,随着我国大飞机、轨道交通及大型发电设备等技术的快速发展,对大型模锻件的需求快速增长。而我国模锻液压机相比自由锻造压机,还未形成合理的规格系列,规格和类型分布尚欠合理。100MN模锻压机数量偏多(据不完全统计,多达六台),而在已建成的400MN~800MN之间档距过大。随着设备压力的不断提高,液压系统工作介质压力由高压向超高压发展,有的甚至高达63MPa,这使得液压系统过于庞大,投资加大。采用工作缸内增压技术,实现超高压力输出的技术路线,可使模锻压机工作缸数量减少、甚至采用单缸结构,使得压机结构更加紧凑,刚度更好。同时减少了投资,节约了能源。

智能锻造设备关键共性技术研究与开发是未来的一个亮点。如锻造装备数控技术、故障检测诊断技术、专家系统、人工智能技术、伺服直驱技术(大功率伺服电机驱动)和机器视觉等都是重要的开发研究领域。锻造装备核心部件的开发越来越重要:下大力气开展锻造装备数控系统、快速、精密液压驱动系统、大功率伺服电机及驱动控制器等的研制。随着具有“国际领先水平”的“NTR法锻造成套装备技术及成形工艺”的推广与应用,我国全纤维曲轴锻造技术获得重大进展。由于该设备的增力技术,极大地降低了同吨位锻压设备的造价,使大型锻造设备将朝着专机方向发展成为可能,使具有一定批量或变形工艺雷同的大型自由锻件改为模锻件生产方式。减少切削余量、提高机械性能、降低制造成本和提高国际市场的竞争力有了可能。轴承环类中小型幻剑的批量辗扩(也称辗轧)应逐步建立从环件制坯-辗环-出料的全自动化生产线,提高环件质量稳定性及一致性,提高生产效率,改善环境,减轻工人的劳动强度。对异型截面环件的轧制可以减少机械加工余量,提高材料利用率,合理分布环件的金属纤维以提高环件质量,典型件有高颈法兰和各种台阶环等。应对预制坯工艺、轧制成形工艺以及辗环设备的自动化控制技术等进一步优化。
未来5年,锻造行业将发生比较大的变化,传统生产方式生产的低附加值锻件竞争更加惨烈。一部分盲目投资、无技术实力、无配套能力的锻件生产企业会被迫关闭。2016-2020年锻造行业在精密锻造、自动化、数字化和信息化锻造等方面将有发展。管理规范、工艺手段齐全、设备先进实用、产品特色强和企业文化现代的锻造企业将获得生存空间。为了适应今后发展的需要,锻造行业企业将产生如下的需求。

急需在材料、锻造工艺、热处理各方面的技术支撑。新材料(轻量化)的研发及其成形工艺研究会被市场强烈需求。各种高性能材料(高强度螺栓用钢、铝合金、镁合金及冷温锻用钢等)需求将不断地加大。适应单一零件大批量生产的专业化、高速化、自动化、高精度和高可靠的高端智能锻造成形设备(线)需求强劲。传统设备的自动化改造会有需求。自动化生产线使用的步进梁技术开发、推广和维护将得到发展。配备步进梁送料装置的多工位热模锻压力机、多工位温锻压力机和多工位冷锻压力机需求会有明显增加。温控精度达+/-5℃以内的铝合金锻造加热炉和热处理炉以及大吨位的卧式冷成形机和高速热鐓锻成形机应用更多。有利于提高生产效率和材料利用率的工艺改革需求强劲。节能、减排、降本增效和少无切削加工型锻造工艺需求增加。铝合金锻造成形工艺及相关热处理工艺研究和空心轴工艺研究会得到加强。锻造与焊接,锻造后零件间的镶嵌工艺将会大大简化零件制造工艺及大量减轻零件重量,是大量节材和实现轻量化的先进工艺,将大力发展。具体产品如制动凸轮轴渐开线头部与钢管焊接,发动机凸轮与钢管镶嵌等需求有所增加。径向锻造设备国产化,伺服压力机的开发,适用于锻压机设备的多向锻造模具开发;冷挤压润滑剂开发;探伤用荧光剂开发,以及适用自动线脱模剂的开发是当务之急。锻压机配套设施中的快速换模装置、封闭高度快速调整装置(便于老设备的改造)、步进梁机械手的开发、高性能滑动轴承的开发以及高性能加热设备的开发都是非常热门的方向。模具寿命的提升是所有锻造企业重点且亟待解决的问题,因此,有利于提高模具寿命的材料、热处理、表面处理等新技术需求增加。精密、高寿命模具需求会增加。在线检测技术会不断扩大应用;在为汽车行业配套的企业中,直接提供零部件产品继续成为趋势。未来几年,既精于现代技术又懂经营之道,并有现代意识和高科技产品使用技能的锻造专业人才将是企业争夺的焦点。材料专家、锻造工艺专家、热处理专家以及模具设计、质量管理、企业管理、体系维护、模具加工中心操作和三维造型与编程等都是急需的人才。机电一体化、特别是机器人修理、自动化研发,加工软件编程人才等也是热门人才。锻件成形过程模拟软件需求将会逐步加强,而这方面的人才需求也是一个重要的方面。锻件质量标准、质量检验标准和质量评估标准与机构会有需求,特别是锻件质量评估机构将逐步在一些大集团用户中产生和发挥作用。

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