汽車用鍛打鋁管船舶用鍛打鋁管_聊城市鑫碩金屬制品有限公司

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隨著我國交通運輸業朝現代化、高速化方向發展，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高，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、坦克以及機械設備等重要受力部件和

結構件，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

結構件，如飛機結構件幾乎全部採用鋁合金模鍛件。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，直升機的動環和不動環，火車的汽缸和活塞裙，木工機械機

身，紡織機械的機座、軌道和絞線盤等都已應用鋁合金模鍛件來制

造。而且，正在呈大幅度增長趨勢，甚至某些鋁合金鑄件也開始採用

鋁合金模鍛件來代替。

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目前，上大型鍛壓液壓機為數不多，中國更是無幾，隨

著國防工業的現代化和民用工業特別是交通運輸業的發展，鋁合金模

鍛件的品種和產量不僅不能滿足國內市場的需要，國際市場也有很大

缺口。因此，我國抓緊建設兒條大、中型鋁合金鍛壓生產線是十分必

要的，這對國民經濟的高速發展和國防現代化具有重要的意義。

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1.1.2 鋁合金鍛壓件的特性及應用領域

1.1.2.1.鋁合金鍛壓件的特性

（1）密度小，鋁合金的密度只有鋼鍛件的34%，銅鍛件的30%，

是輕量化的理想材料；

F（2）比強度大、比剛度大、比彈性模量大、疲勞強度高，宜用於

輕量化要求高的關鍵受力部件，其綜合性能遠遠高於其他材料；

（3）內部組織細密、均勻、無缺陷，其可靠性遠遠高於鋁合金鑄

件和壓鑄件，也高於其他材料鑄件；

（4）鋁合金的塑性好，可加工成各種形狀復雜的高精度鍛件機

械加工餘量小，僅為鋁合金拉伸厚板加工餘量的20%左右，大大節省

工時和成本，

（5）鋁鍛件具有良好的耐蝕性、導熱性和非磁性，這是鋼鍛件無

法比擬的：

（6）表面光潔、美觀，表面處理性能良好，美觀。

可見，鋁鍛件具有一係列優良特徵為鋁鍛件代替鋼銅鎂、

木材和塑料提供了良好條件。

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122鋁合金壓件的應用領域

近幾年來，由於鋁材成本下降、性能提高、品種規格擴大，其應用領域

越來越大。主要用於航空航天，交通運輸、汽車、船舶、能源動力

電子通訊、石油化工、冶金礦山、機械電器等領域。主要鍛造

特性及用途見表1-1。

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表1-1鍛造鋁合金的特性及用途

1.2.1 鍛壓生產的發展歷史

人類在新石器時代末期，已開始以錘擊天然紅銅來制造裝飾品

小的用品。中國在公元前2000 多年已應用冷鍛工藝制造工具。商代

期用隕鐵制造武器，採用了加熱鍛造工藝。春秋後期出現的塊煉素

鐵，就是經過反復加熱鍛造以擠出氧化物夾雜並成形的。

初，人們靠搶錘進行鍛造，後來出現通過人拉繩索和滑車來提

起重錘再自由落下的方法鍛打還料，14 世紀以後出現了畜力和水力落

錘鍛造。

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1842 年，英國的史密斯制成第一臺蒸汽錘，使鍛造進入應用動力

的時代。以後陸續出現鍛造水壓機、電機驅動的夾板錘、空氣鍛錘

和機械壓力機，夾板錘早應用於美國內戰（1861~1865年）期間，

用以摸鍛武器的零件，隨後在歐洲出現了蒸汽模鍛錘，模鍛工藝逐漸

推廣。到19世紀末已形成近代鍛壓機械的基本體係。

進入20世紀初期，隨著汽車工業和其他制造業的飛速發展，熱模

鍛訊速發展，成為鍛造的主要工藝。20 世紀中期，熱模鍛壓力機，平鍛

機和無磚鍛錘逐漸取代了普通鍛錘，提高了生產率，減小了震動和噪音

。隨著鍛還無氧化加熱技術、高精度和高壽命模具、熱擠壓，成形軋制

制等新鍛造工藝和鍛造操作機、機械手以及自動鍛造生產線的發展鍛造生產的

造生產的效率和經濟效果不斷提高。由於鋁工業和航空

西興起與發展，20世紀中期鋁及鋁合金自由鍛造和模鍛得

展，

冷鍛出現先於熱鍛。早期的紅銅、金、銀薄片和硬幣都是冷鍛

冷鍛在機械制造中的應用到20 世紀方得到推廣，冷墩，冷擠壓、

徑向鍛造，擺動碾壓等相繼發展，逐漸形成能生產不需切削加工的精

密制件的鍛造工藝。

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中國的鍛造也有著悠久的歷史，中國古代鍛造分為冷鍛和熱鍛兩

種。早在元前2000多年的齊家文化時期，冷鍛工藝已應用於制造工具。

1978年以前在甘肅武威皇娘娘臺齊家文化遺址出土的紅銅器如刀鑿錐

和一些飾物均經過冷鍛，錘擊痕跡非常明顯。在秦魏家出土的青銅錐

也是經過冷鍛的。1953年和20世紀70年代在河南安陽段出土

西殿代冷錘打的金箔碎片厚僅0.01mm，厚度差不超過士0.001

到北宋時期，文獻中已有冷鍛鐵鎧甲的記載。明代宋應星

開物》有冷鍛鋸條的記載，用”熟鐵鍛成薄片，不鋼，亦不

繞後，頻加冷錘堅性，用銼開齒”。熱鍛工藝早發現在商

公元前14 世紀），用隕鐵制造武器，採用了加熱鍛造工藝。

現了“塊煉”熟鐵的技術，將熟鐵經過反復加熱鍛造以擠

雜並成形。1954~1957年在西安半坡戰國墓中出土一件鐵

愛制方法是將熟鐵還料先加熱鍛成薄片，折合後再鍛造成形。

當時是兵器大都採用熱鍛工藝。戰國後期的塊煉滲碳鋼也經過反

錄碳分布均勻。01965 年河北易縣出土的戰國後期鋼劍（全長1004毫米

，鋼部長985mm)採用海綿鐵先鍛成薄片，滲碳後疊在一

·6·1概論

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起經加熱錘鍛成劍，並經淬火。同時出土的鐵兜鍪(鐵盔)用89片鐵甲綴成。為了減輕質量，鐵甲多為薄片，大都經過加熱鍛造。1960年呼和浩特二十家子古城出土的西漢鐵鎧甲，其鐵片厚度僅1~2mm,為熱鍛鐵件。1973年在鄭州發現的窖藏東漢末年的鐵器遺物中，鍛件佔很大比重。其中有滎水縣王灣村出土的兩條鐵鎖鏈，一條長2400mm,每環長75mm,是熟鐵經熱鍛焊連成鏈索的。《天工開物》中總結了古代大小器物的鍛造方法並附有圖畫，談到戰艦和海船用的千鈞錨，“錘法先成四爪，以次逐節接身",即採用分段鍛造，然後鍛焊成整體。

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1840年鴉片戰爭以後，為了適應航運業發展的需要，外商首先在中國建立了船舶修造廠。1845年英國人J.C.柯拜在廣州黃埔設立的柯拜船舶廠，是中國領土內早的一家外資機械廠。清政府為了自救開展了洋務運動，開始了中國近代機械制造工業。從早的江漢制造局、江南制造局、金陵制造局到福州船政局等都已經開始了現代制造業。1871年福州船政局所屬鐵廠首先採用新的冶煉技術，安裝吊車，鑄造大型汽缸，購置3t汽錘鍛造大軸，建成中國機械工業早的鑄鍛車間。

我國的鍛造業歷史悠久，到19世紀中國也有了一些現代制造業的鑄鍛車間，但是，這主要是用於鍛造鋼鐵材料的，有色金屬鍛造，特別是鋁及鋁合金的鍛造業幾乎還是。

1.2.2鋁合金鍛壓生產與技術的發展現狀及水平分析

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1.2.2.1國外發展狀況與水平分析

鍛件生產是一個很古老的行業，但鋁合金鍛件的大量生產應用是從20世紀50年代開始的。經過幾十年的現代化改造，無論在工藝裝備、模具設計和制造、生產工藝和技術上，還是在產品品種規格、生產規模和質量等方面都得到了飛速發展，尤其是美國、俄羅斯、德國、日本、法國、意大利、捷克、奧地利、瑞士等國的鍛壓生產的發展達到了相當高的水平。目前，全有鍛壓廠上千家、鍛壓機數千臺，年產鍛件近500萬噸。其中，鋁合金模鍛件30萬噸左右(年消耗量近50萬噸)。有大小水(液)壓機500餘臺，其中100MN以上的大型水(液)壓機10餘臺。300MN以上的重型液壓鍛壓機的分布

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1.2鍛壓生產發展概況及鋁合金鍛壓技術發展水平 ·7·

情況是;俄羅斯4臺，其中2臺是750MN,為之：美國5臺中其中包括2臺450MN);法國1臺，為650MN;德國2臺；中國1臺並正在王生建設和制造450MN和800MN巨型模鍛液壓機);羅馬尼亞1英國1臺。這些大型水(液)壓機的主要特點是結構緊湊、功能自動化程度高、配備有操作機和快速換模裝置，平面配置合理有利國於連續作業，生產效率高。此外隨著鋁合金模鍛件大型化、精密度的提高，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鍛液壓機，其中美國3臺，大為300MN;法國1生、為650MN;英國1臺，為300MN;中國1臺，為100MN;俄羅F江臺，為200MN和500MN;德國1臺，為350MN。多向模鍛機屬滿密鍛壓設備，配備了PLC係統和計算機控制係統，可對能量、行程壓力、速度進行自動調節，對關鍵部件佳工作點進行控制，對各工作狀態進行監控和顯示，對係統故障、設備過載、過溫和失控進行預報和保護，對制品質量進行控制。有的還包括有偏移檢測、同步係統、工作臺和機架變形補償、磁存儲器、集成電路、光纖通三、彩色屏等，可實現全機或全機列，甚至整個車間的自動控制與科學管重理。此外，為了生產各種規格和品種的大、中型精密鍛件，各國裝配了各種型號的精鍛機，50t以上的大型鍛錘、平鍛機及5~12m三狀型精密軋環機，如美國的J12m、俄羅斯的φ10m精密軋環機，中國也裝備了多臺d5m的精密軋環機。

在鋁及鋁合金鍛件技術方面，研制開發出了大量的鍛壓新工藝、新技術如液體模鍛、半固態模鍛、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，對於簡化工藝、減少工序、節省能毛增加規格、提高質量和生產效率、保護環境、降低勞動強度、提高經微益等發揮了重大作用。的計算機軟件為控制鍛造溫度、鍛壓力、變形程度(欠壓力)和工藝潤滑等主要工藝參數，控制制品尺寸和內部組力學性能等提供了可靠的保證。

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模鍛的設計與制造是鋁合金鍛壓技術的關鍵，鍛件CAD/CAM/AE係統已十分成熟和普及。在美國，CAD/CAM/CAE係統正被CIM算機一體化)所代替。CIM包括成套技術、計算機模擬技術AD/CAM/CAE技術、機器人、專家係統、加工計劃、控制係統以及自動材料處理等，為模鍛件的優化設計和工藝改進提供了條件。如在汽車工業，對前梁、羊角、輪轂、曲軸等零件進行設計和工藝過程優化，可使優化設計後的羊角減重15%,輪轂減重30%.曲軸減重20%,而且可大大提高生產效率，降低能耗。

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在產品品種和質量上獲得了突破性進展，目前上研制開發的鍛造鋁合金有上百種、十幾個狀態，可大批量生產不同合金、不同狀態、不同性能、不同功能、各種形狀、各種規格、各種用途的鋁合金鍛件，年產能在3萬噸以上的大型企業已近十家。目前上可生產的鋁合金模鍛件的大投影面積達5m?(750MN),長的鋁鍛件達15m,重的鋁鍛件達2.5t,大的鍛環直徑達11.5m,基本上可滿足大的飛機、飛船、火箭、導彈、衛星、艦艇、航母以及發電設備、起重設備等的需要。產品的內部組織、力學性能和尺寸精度也能滿足各種用戶要求，在產品開發上達到了相當高的水平。

近年來，除中國正在建設450MN和800MN巨型模鍛機外，各國在大、中型鍛壓機的新建和改造方面的力度不大。因此，鋁合金鍛件的生產尚不能滿足交通運輸輕量化對鋁鍛件的需求，有必要新建若幹條現代化的大、中型鋁鍛壓生產線。

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1.2.2.2國內鋁合金鍛壓生產發展現狀和水平分析

在我國鍛壓生產有悠久的歷史，3300多年以前的殷墟文化早期，鍛壓已用於兵器生產。1949年新中國成立前鍛壓生產十分落後。1949年新中國成立後，鍛壓生產迅速發展，125MN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係列，裝備了各鍛壓廠。但到目前為止，我國鋁加工企業僅有300MN、100MN、80MN、60MN、50MN、30MN等10餘臺大、中型鋁鍛壓水(液)壓機和1臺100MN多向模鍛液壓機及d5m軋環機2臺，鋁鍛件年生產能力僅為1.5萬噸左右，大模鍛件投影面積為2.5m?(鋁合金)及1.5m?(鈦合金),大長度為7m,大寬度為3.5m,鍛環大直徑5m,以及盤徑為d534~730mm的鋁合金絞線盤和300~600mm左右的汽車輪箍。產品品種相對較少，例如工業發達國家的模鍛件已佔全部鍛件的80%左右，我國只佔30%左右。國外模鍛件的設計、模具制造已引入計算機技術，模鍛CAD/CAMCAE和模

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1.2鍛壓生產發展概況及鋁合金鍛壓技術發展水平 ·9·

鍛過程倣直已進入實用化階段、而我國很多鍛壓廠在這方面才剛剛起先工藝裝備的白動化水平和工藝技術水平也相對落後，

目前我國鋁合金鍛壓工業，在技術裝備、模具設計與制造、產品產量與規模、生產效率與批量化生產、產品質量與效益等方面與國外先進水平相比，還存在差距。不僅不能滿足國內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、高速火三輪船等)輕量化要求以鋁鍛件代替鋼鍛件的步伐。為此，我國應一人力、物力和財力，盡快提高我國鋁合金鍛壓生產的工藝裝備水平和生產工藝水平，並盡快新建若幹條大中型現代化鋁合金鍛壓液壓生產線，以盡快縮小與國外先進水平的差距，大限度滿足國內外場的需求。可喜的是，隨著我國大飛機項目及其他大型重點項目的.正在建造200MN重型臥式擠壓機和450MN、800MN巨型立式液壓機，向鋁合金鍛壓大國和強國邁進，

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12.2.3我國鋁模鍛技術與國際先進水平的對比與差距分析

目前，我國規模大、裝備先進、品種齊全的鋁合金鍛壓企業為中鋁公司下屬的西南鋁加工廠，擁有級的300MN模鍛水壓機，100MN多向模鍛水壓機和60MN鍛造水壓機乃配套齊全的輔助設備以及切橋直、鋸切、機加工、制模和檢測設備等，是一個專為航空航天等部是供高質量鋁合金鍛件和模鍛件的工廠。美國是目前上鋁合金鍛壓三一和技術發達的國家之一，美鋁公司下屬的克利弗蘭鍛造廠是其具性的鋁合金鍛壓企業，擁有30MN、40MN、80MN、150MN、300MN、500MN等多臺鍛壓水壓機；7~10MN、13MN、16MN、20MN、二3MN、40~60MN等機械壓力機及6MN、8MN、18MN、36MN、N、150MN鍛錘以及配套齊全的輔助設備和公共設施。下面以這兩個代表，對我國鋁鍛壓技術與國際先進水平進行對比分析

規模、產能、品種和質量方面

總體來看，國外鍛造廠的規模比我國要大得多，品種更多，規格範圍用途更廣泛，生產效率和產品質量更高。因此，經濟效益也更好。

B技術方面

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鍛造制坯

大家知道，模鍛所需的坯料是通過鍛造制得的。影響鍛造制坯技術的主要因素有鍛造水壓機的裝機水平和鍛造工的操作技術。

Alcoa公司鍛造制坯主要在30MN鍛造水壓機上完成。這臺設備小巧靈活，工作臺上有一個主模座和多個輔助模座，適用於坯料鍛打、旋轉和翻滾：有鍛造操作機。由於鍛造坯料的形狀往往比較復雜，需要反復鐓粗、壓扁、拔長，壞料在工作臺上頻繁移動和翻滾，因此這種鍛造設備非常適合，且具有操作方便、安全、省力、勞動效率高、壞料質量好等優點。西南鋁加工廠鍛造制壞是在60MN鍛造水壓機上完成的。設備能力大(實際上每道次的鍛壓力很小),不靈活。雖配有有軌鍛造車，但由幹水壓機工作臺上只有一個主模座，壞料的移動與翻滾仍然很不方便，需要多名鍛造工人配合完成。這既費力費時，又不安全，勞動效率低下，壞件質量粗糙。

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b模鍛成形

與Alcoa公司相比，模鍛工序的主要差距是裝卸料的機械化和潤滑技術。

坯料的出爐、裝模與出模，Alcoa公司均採用無軌操作車(即裝卸料機械手),只有模具的裝卸才採用天車。而西南鋁加工廠仍然採用天車裝卸料，水壓機每模壓一個料，需要開動水壓機移動工作臺一次，臺班生產效率低下。例如，用300MN級模鍛水壓機生產投影面積為0.5m?的鋁模鍛件，Alcoa公司平均每小時可模鍛12件，西南鋁平均6件，效率差50%。另一個致命弱點是，由於頻繁開動工作臺，加速工作臺和控制閥的磨損，使設備故障頻繁，大大降低了設備的有效作業時間，使成本大幅上升。

為了改善金屬在鍛模模膛中的流動性能和防止金屬粘模，鋁模鍛時使用潤滑劑。由於潤滑技術直接影響到模鍛件的內在質量、外表質量及生產效率，因此各國非常重視潤滑技術(包括潤滑劑和潤滑方式)的研究。與Alcoa公司相比，除潤滑劑的種類比較單調(鋁模鍛採用石墨加礦物油的混合物)外，潤滑方式也十分落後。西南鋁加工廠目前仍然採用傳統的涂刷方式，國外早已採用噴涂方式。涂刷方式的大缺點是模膛潤滑不均勻，特別是窄而深的模膛，不是沒有潤滑劑，就是潤滑劑存積太多，導致粘模嚴重和成形差。Alcoa公司鍛造廠建立了集中潤滑站，向幾臺模鍛水壓機機臺分供高壓潤滑劑。將噴槍與機臺上的潤滑劑管相連接即可使用。這樣既保證質量，又便於操作和管理，使工作現場免受油污污染。如堤不好，造成粘模，就大大制約了採用機械手從模具中直接能性

具設計與制造c

籍

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的設計、制造與使用水平直接影響新產品開發速度、產品質耗以及勞動生產效率。因此引起發達工業國家的高度重主模鍛品種開發緩慢的重要原因之一便是模具的設計與制造三生產周期長。

公司非常重視鍛模的設計與制造。公司的技術中心(位於)專門有一個部門和專業人員從事計算機輔助設計稱制造(CAM)。開發的軟件係統應用在鍛造廠的鍛模設計。而國內鍛模設計CAD尚未普及，僅用於軸對稱回轉體鍛至於CAM的用戶則更少，尚在起步階段。因此，目前我國一造廠家的模具設計仍然以手工為主，西南鋁加工廠也一具的設計需要不斷積累生產實踐經驗，所以即使是大學畢業要經過多年的努力，才能具有獨立設計比較復雜模具的能jCAD的專家係統，積累了許多設計專家豐富的實踐經驗，模者可以利用它們進行高質量、率的設計工作。設計的模度高，時間短，這就大大加快了產品開發步伐。

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具加工設備看，目前我國仍然以普通加工設備為主，缺乏高三自動化程度較高的鍛模加工設備。Alcoa公司配有現代化的數控、機械研磨與化學拋光等先進的制模設備。而西南鋁加工廠利用普通的倣形銑床和手工研磨來制造鍛模，其質量與效率注Aooa公司相比。。段模材料國內主要採用5CrNiMo和5CrMnMo,這些材料生差，壽命低。而美國多採用H13(4Cr5MoSiV1),這種鋼在紅硬性好，衝擊韌性高，水冷時不裂，壽命長。

百運輸

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公司除鍛造與模鍛工序使用鍛造操作機和裝卸料機械手外，地主要靠叉車，機械化程度非常高。西南鋁加工廠工序之間坯料的轉移仍然靠天車，工作靈活性差，效率低

e超聲波檢測

航空模鍛件多是受力結構件，內部質量要求高，往往要經過水浸超聲波檢測。Alcoa公司裝備有大型水浸超聲波檢測設備，自動化程度很高。大型水槽上安裝有自動升降式載物臺和自動掃描儀。檢測工將被測工件裝卡在載物臺上，調整好掃描儀，將載物臺降至水面以下，即可進行自動檢測了。而鑫碩金屬鋁加工廠雖有水浸探傷裝置，但均是手工操作，工作效率低。

f熒光滲透檢測

鋁合金模鍛件在加工過程中，其表面易形成折疊和裂紋等缺陷。模鍛件成品檢驗時，要仔細地進行檢驗性清理。具有非加工表面的精密模鍛件，更是要特別小心。在鋁模鍛件成品上用小型風動工具打磨表面缺陷後，打磨部位對光線形成漫反射，檢驗工用肉眼或放大鏡已無法判斷缺陷是否清除掉。這就需要進行熒光滲透檢測，Alcoa公司裝備有這樣的設備。而鑫碩金屬鋁加工廠目前還沒有這樣的設備。成品檢驗時，該廠採用的是反復蝕洗的辦法，就是將清理過的鍛件又裝框吊入鹼槽、酸槽和水槽中蝕洗，以缺陷部位的漫反射效果，再檢查。如果沒有清除掉缺陷，要反復打磨、蝕洗、檢查，直到缺陷清除為止。這樣做工人勞動強度大，效率低，且易碰傷鍛件表面。

從以上分析來看，無論在總體上，還是在技術上，我國的鋁合金鍛壓生產與技術水平仍落後於國際先進水平，而且差距還不小。我國雖已成為鋁合金鍛壓大國，但還不是強國，為早日趕超先進水平，成為真正的鋁合金鍛壓大國和強國，還有許多工作要做。

鋁合金鍛壓生產與技術的發展趨向

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