合金铝板

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铝合金锻压及锻件的应用

2019-08-19

【中国铝业网】摘要:全面系统深入地介绍了合金铝板在国民经济中的重要地位,现状及发展水平,分析了锻件的市场需求及应用前景,建议我国抓紧建设几条大、中型铝合金锻压线是十分必要的,这对国民经济的高速持续发展和国防军工现代化有重大的现实意义和长远意义。
  
  1锻压在国民经济中的重要地位
  
  锻压是向各个工业行业提供机械零件毛坯的主要途径之一。锻压的优越性在于:它不但获得机械零件的形状,而且能改善材料的内部组织,提高力学性能。一般来讲,对于受力大、力学性能要求高的重要机械零件,多数采用锻压方法来制造。
  
  在飞机上锻压件的重量占70%,坦克上锻压件的重量占60%,汽车上锻压件重量占50%,电力工业中水轮机主轴、透平叶轮、转子、护环等均是锻压而成。从这些例子可以看出,锻压在工业行业中占有极重要的地位。
  
  铝合金由于比重小、比强度、比刚度高等一系列优点,已大量使用在各个工业部门,铝合金锻压件已成为各个工业部门机械零件必不可少的材料。凡是用低碳钢可以锻出的各种锻件,都可以用铝合金锻造出来。铝合金可以在锻锤、机械压力机、液压机、顶锻机、扩孔机等各种锻造设备上锻造,可以自由锻、模锻、轧锻、顶锻、辊锻和扩孔。
  
  一般来说,尺寸小、形状简单、偏差要求不严的铝锻件,可以很容易地在锤上锻造出来,但是对于规格大、要求剧烈变形的铝锻件,则宜选用水(液)压机来锻造。对于大型复杂的整体结构的铝锻件则非采用大型模锻液压机来不可。对于大型精密环形件则宜用精密轧环机轧锻。特别是近十年来,随着科学技术的进步和国民经济的发展,对材料提出越来越高的要求,迫使铝合金锻件向大型整体化、高强高韧化、复杂精密化的方向发展,大大促进了大中型液压机和锻环机的发展。
  
  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。
  

铝合金锻压

  2铝合金锻压件的特性及应用领域
  
  2.1铝合金锻压件的特性
  
  ①密度小,只有钢锻件的34%,铜锻件的30%,是轻量化的理想材料。
  
  ②比强度大、比刚度大、比弹性模量大、疲劳强度高,宜用于轻量化要求高的关键受力部件,其综合性能远远高于其它材料。
  
  ③内部组织细密、均匀、无缺陷,其可靠性远远高于铝合金铸件和压铸件,也高于其它材料铸件。
  
  ④铝合金的塑性好,可成各种形状复杂的高精度锻件,机械余量小,仅为铝合金拉伸厚板余量的20%左右,大大节省工时和成本。
  
  ⑤铝锻件具有良好的耐蚀性、导热性和非磁性,这些都是钢锻件无法比拟的。
  
  ⑥表面光洁、美观,表面处理性能良好,美观耐用。
  
  可见,铝锻件具有一系列优良特征,为铝锻件代替钢、铜、镁、木材和塑料提供了良好条件。
  
  2.2铝合金锻件的应用领域
  
  近几年来,由于铝材成本下降,性能提高,品种规格扩大,其应用领域越来越大。主要用于航天航空、交通运输、汽车、船舶、能源动力、电子通讯、石油化工、冶金矿山、机械电器等领域。主要锻造铝合金的特征及用途见表1。
  
  3铝合金锻压技术与发展水平
  
  3.1国外发展状况与水平分析
  
  锻件是一个很古老的行业,但铝合金锻件的大量应用是从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,工艺和技术上,还是在产品品种规格、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;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、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,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。
  
  表1锻造铝合金的特性及用途
  
  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、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。目前世界上可的铝合金模锻件的投影面积达5m2(750MN),长的铝锻件达15m,重的铝锻件达1.5吨,的锻环直径达11.5m,基本上可满足的飞机、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。
  
  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、中型铝锻压线。
  
  3.2国内发展现状和水平分析
  
  锻压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。解放前,锻压十分落后。解放后,锻压迅速发展,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,铝锻件年能力仅为20000吨左右,模锻件投影面积为2.5m2(铝合金)及1.5m2(钛合金),长度为7m,宽度为3.5m,锻环直径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。


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