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精密儀器

鋁合金鍛壓技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展


關(guān)鍵詞: 鋁合金;鍛造;鍛壓;鍛造技術(shù);有色金屬;

 

鍛壓生產(chǎn)是向國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)工業(yè)行業(yè)提供機(jī)械零件毛坯的主要途徑之一。鍛壓生產(chǎn)的優(yōu)越性在于:它不但能獲得機(jī)械零件的形狀,而且能改善材料的內(nèi)部組織,提供優(yōu)良的力學(xué)性能。對(duì)于受力大、力學(xué)性能要求高的重要機(jī)械零件,多數(shù)采用鍛壓方法來制造。

鋁合金具有密度小,比強(qiáng)度、比剛度高等一系列優(yōu)點(diǎn),已大量使用在各個(gè)工業(yè)部門,鋁合金鍛壓件已成為各個(gè)工業(yè)部門機(jī)械零件必不可少的材料。特別是近十年來,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)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(qiáng)高韌化、復(fù)雜精確化的方向發(fā)展,也大大促進(jìn)了大中型液壓機(jī)和鍛環(huán)機(jī)的發(fā)展。

 

1. 我國(guó)鋁合金鍛壓生產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)狀及水平

鍛壓生產(chǎn)在我國(guó)具有悠久的歷史,3300多年以前的殷墟文化早期,鍛壓已用于兵器生產(chǎn)。但是,新中國(guó)成立前我國(guó)鍛壓生產(chǎn)還是十分落后。新中國(guó)成立后,鍛壓生產(chǎn)迅速發(fā)展,125MN以下的自由鍛水壓機(jī)、300MN模鍛水壓機(jī)、160kN以下的模鍛錘、16000kN以下的摩擦壓力機(jī)、8000 kN以下的熱模鍛壓機(jī)已成系列裝備了各鍛壓廠。但到目前為止,我國(guó)鋁加工企業(yè)僅有300MN、100MN、60MN、50MN30MN 9臺(tái)大、中型鋁鍛壓水(液)壓機(jī)和1臺(tái)100MN多向模壓水壓機(jī)及F 5m軋環(huán)機(jī)2臺(tái),鋁鍛件年生產(chǎn)能力僅為15kt左右,鋁合金最大模鍛件投影面積為2.5m2,最大長(zhǎng)度為7m,最大寬度為3.5m,鍛環(huán)最大直徑5m,以及盤徑為Φ534mm~Φ730mm的鋁合金絞線盤和Φ600mm左右的汽車輪箍。產(chǎn)品品種相對(duì)較少,模鍛件的比例較低,例如工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的模鍛件已占全部鍛件的80%左右,我國(guó)只占30%左右。國(guó)外模鍛件的設(shè)計(jì)、模具制造已廣泛引入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),模鍛CAD/CAM/CAE和模鍛過程仿真已進(jìn)入實(shí)用化階段,而我國(guó)很多鍛壓廠在這方面才剛剛起步。工藝裝備的自動(dòng)化水平和工藝技術(shù)水平也相對(duì)落后。

目前,我國(guó)鋁合金鍛壓工業(yè),無論在技術(shù)裝備上,模具設(shè)計(jì)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)量與效益等方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)步,已經(jīng)建立了具有我國(guó)特色的鋁合金鍛造體系,基本能滿足我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。但是,與國(guó)外先進(jìn)水平存在一定差距,還不能滿足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)鋁合金鍛件日益增長(zhǎng)的需求和交通運(yùn)輸(如飛機(jī)、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(guó)應(yīng)集中人力、物力和財(cái)力,盡快提高我國(guó)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)代化鋁合金鍛壓生產(chǎn)線,以盡快縮小與國(guó)外先進(jìn)水平的差距,最大程度滿足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求??上驳氖?,隨著我國(guó)大飛機(jī)項(xiàng)目及其他大型重點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施,正在建造200MN重型臥式擠壓機(jī)和450MN800MN立式模鍛液壓機(jī)(參見圖1),將大大的提升我國(guó)的鍛壓裝備水平,促進(jìn)我國(guó)向世界鋁合金鍛壓大國(guó)和強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。

                                               


2. 我國(guó)鋁合金鍛壓技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平的主要差距

目前,我國(guó)規(guī)模最大、裝備最先進(jìn)、品種最齊全的鋁合金鍛壓企業(yè)應(yīng)數(shù)西南鋁加工廠,擁有世界級(jí)的300MN模鍛水壓機(jī),100MN多向模鍛水壓機(jī)和60MN鍛造水壓機(jī)及配套齊全的輔助設(shè)備以及切邊、矯直、鋸切機(jī)加、制模和檢測(cè)設(shè)備等,是一個(gè)專為航空航天等部門提供高質(zhì)量鋁合金鍛件和模鍛件的工廠。美國(guó)是目前世界上鋁合金鍛壓生產(chǎn)和技術(shù)最發(fā)達(dá)的國(guó)家之一,美鋁公司下屬的克弗蘭鍛造廠是其最具代表性的鋁合金鍛壓企業(yè),擁有30,4080150,350500MN等多臺(tái)鍛壓水壓機(jī);7~10,1316,20,25~30,40~60MN等機(jī)械壓力機(jī)及68、1836、110、150 MN鍛錘以及配套齊全的輔助設(shè)備和公共設(shè)施。下面以這兩個(gè)工廠為代表,對(duì)我國(guó)鋁鍛壓技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平進(jìn)行對(duì)比分析。主要差距為下:

1)規(guī)模產(chǎn)能、品種和質(zhì)量方面

從總體來看,克利弗蘭鍛造廠的規(guī)模比西南鋁要大得多,品種更多,規(guī)格更大,用途更廣泛,生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量更高。因此,經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更好。

2)生產(chǎn)技術(shù)方面

1)鍛造制坯

模鍛所需的坯料是通過自由鍛造制備,影響自由鍛造制坯技術(shù)的主要因素是鍛造機(jī)的裝機(jī)水平和鍛工的操作技術(shù)。美鋁公司鍛造制坯主要在30MN鍛造水壓機(jī)上完成。這臺(tái)設(shè)備小巧靈活,工作臺(tái)上有一個(gè)主模座和多個(gè)輔助模座,適用于坯料鍛打、旋轉(zhuǎn)和翻滾;有鍛造操作機(jī)。由于鍛造坯料的形狀往往比較復(fù)雜,需要反復(fù)的鐓粗、壓扁、拔長(zhǎng),坯料在工作臺(tái)上頻繁移動(dòng)和翻滾,因此這種鍛造設(shè)備非常適合,且具有操作方便、安全、省力、勞動(dòng)效率高,鍛坯質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。西南鋁加工廠鍛造制坯是在60MN鍛造水壓機(jī)上完成的。設(shè)備能力大(實(shí)際上每道次的鍛壓力很?。混`活。雖配有有軌鍛造車,但由于水壓機(jī)工作臺(tái)上只有一個(gè)主模座,坯料的移動(dòng)與翻滾仍然很不方便,需要多名鍛造工人配合完成。這既費(fèi)力費(fèi)時(shí),又不安全,勞動(dòng)效率低下,鍛坯質(zhì)量粗糙。

2)模鍛成形

與美鋁公司相比,模鍛工序的主要差距是裝卸料的機(jī)械化和潤(rùn)滑技術(shù)。坯料的出爐、裝模與出模,美鋁公司均采用無軌操作車(即裝卸料機(jī)械手),只有模具的裝卸才采用天車。而西南鋁加工廠采用天車裝卸料,水壓機(jī)每模壓一個(gè)料,需要開動(dòng)水壓機(jī)移動(dòng)工作臺(tái)一次,臺(tái)班生產(chǎn)效率低下。例如,用300MN級(jí)模鍛水壓機(jī)生產(chǎn)投影面積為0.5mm2的鋁模鍛件,美鋁公司平均每小時(shí)可模鍛12件,西南鋁平均6件,效率差50%。另一個(gè)致命弱點(diǎn)是,由于頻繁開動(dòng)工作臺(tái),加速工作臺(tái)和控制閥的磨損,使設(shè)備故障頻繁,大大降低了設(shè)備的有效工作時(shí)間,也使成本大幅上升。

為了改善金屬在鍛模模膛中的流動(dòng)性能和防止金屬粘模,鋁模鍛時(shí)必須進(jìn)行潤(rùn)滑。由于潤(rùn)滑技術(shù)直接影響到模鍛件的內(nèi)在質(zhì)量、外表質(zhì)量及生產(chǎn)效率,因此世界各國(guó)非常重視潤(rùn)滑技術(shù)(包括潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式)的研究。與美鋁公司相比,除潤(rùn)滑劑的種類比較單調(diào)(鋁模鍛采用石墨加礦物油的混合物)外,潤(rùn)滑方式十分落后。西南鋁加工廠目前仍然采用傳統(tǒng)的涂刷方式,國(guó)外早已采用噴涂方式。涂刷方式的最大缺點(diǎn)是模膛潤(rùn)滑不均勻,特別是窄而深的模膛,不是沒有潤(rùn)滑劑,就是潤(rùn)滑劑存積太多,導(dǎo)致粘模嚴(yán)重和材料成形差。美鋁公司鍛造廠建立了集中潤(rùn)滑站,向幾臺(tái)模鍛水壓機(jī)機(jī)臺(tái)提供高壓潤(rùn)滑劑。潤(rùn)滑工只要將噴槍與機(jī)臺(tái)上的潤(rùn)滑劑管相連接即可使用。這樣既保證了潤(rùn)滑的質(zhì)量,又便于操作和管理,使工作現(xiàn)場(chǎng)免受油污污染。

3)模具設(shè)計(jì)與制造

模具的設(shè)計(jì)、制造與使用水平直接影響新產(chǎn)品開發(fā)速度、產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗以及勞動(dòng)生產(chǎn)效率。因此引起發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的高度重視。我國(guó)鋁模鍛品種開發(fā)緩慢的重要原因之一便是模具的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)落后,生產(chǎn)周期長(zhǎng)。

美鋁公司非常重視鍛模的設(shè)計(jì)與制造。公司的技術(shù)中心(位于Pittsbugh)專門有一個(gè)部門和專業(yè)人員從事計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造(CAD/CAM)。而國(guó)內(nèi)鍛模設(shè)計(jì)(CAD)尚未普及,僅在軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體鍛模上應(yīng)用。至于CAM的用戶則更少,尚在起步階段,西南鋁加工廠也一樣。模具的設(shè)計(jì)需要不斷積累生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),所以即使是大學(xué)畢業(yè)生,也需要經(jīng)過多年的努力,才能具有獨(dú)立設(shè)計(jì)比較復(fù)雜模具的能力。而CAD的專家系統(tǒng),積累了許多設(shè)計(jì)專家豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),模具設(shè)計(jì)者可以利用它們進(jìn)行高質(zhì)量高效率的設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)的模具準(zhǔn)確度高,時(shí)間短,這就大大加快了產(chǎn)品開發(fā)步伐。

另外,鍛模材料國(guó)內(nèi)主要采用5CrNiMo5CrMnMo,這些材料的耐熱性差,壽命低。而美國(guó)多采用H134Cr5MoSiV1),這種鋼在500C時(shí)紅硬性好,沖擊韌性高,水冷時(shí)不裂,壽命長(zhǎng)。

4)檢測(cè)技術(shù)與裝備

航空模鍛件多是受力結(jié)構(gòu)件,內(nèi)部質(zhì)量要求高,往往要經(jīng)過水浸超聲波檢測(cè)。美鋁公司裝備有大型水浸超聲波檢測(cè)設(shè)備,自動(dòng)化程度很高。大型水槽上安裝有自動(dòng)升降式載物臺(tái)和自動(dòng)掃描儀。檢測(cè)工將被測(cè)工件裝卡在載物臺(tái)上,調(diào)整好掃描儀,將載物臺(tái)降至水面以下,即可進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)了。而西南鋁加工廠雖有水浸探傷裝置,但均是手工操作,工作效率低。

螢光滲透檢測(cè),也是鋁合金模鍛件在加工過程中的重要及有效檢測(cè)手段,能檢測(cè)鍛件表面易形成折迭和裂紋等缺陷。通常,在鋁模鍛件的表面缺陷,打磨后對(duì)光線形成漫反射,檢驗(yàn)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(jìn)行螢光滲透檢測(cè)。美鋁公司裝備有這樣的設(shè)備,而西南鋁加工廠目前還沒有這樣的設(shè)備。成品檢驗(yàn)時(shí),該廠采用的是反復(fù)蝕洗的辦法,就是將清理過的鍛件又裝框吊入堿槽、酸槽和水槽中蝕洗,以消除缺陷部位的漫反射效果,再檢查。這樣做工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低,且易碰傷鍛件表面。

從以上分析來看,不僅在總體上,還是在技術(shù)層面上,我國(guó)的鋁合金鍛壓生產(chǎn)與技術(shù)水平仍落后于國(guó)際先進(jìn)水平。目前,我國(guó)已成為鋁合金鍛壓大國(guó),但還不是強(qiáng)國(guó)。為早日超越世界先進(jìn)水平,成為真正的鋁合金鍛壓大國(guó)和強(qiáng)國(guó),我們還有許多工作要做。

 

3. 我國(guó)鋁合金鍛壓生產(chǎn)與技術(shù)的發(fā)展方向

經(jīng)過幾十年的努力,我國(guó)鋁合金鍛壓生產(chǎn)與技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,已形成完整的鋁合金鍛壓生產(chǎn)體系,基本上能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的需要。但是,鋁合金鍛壓生產(chǎn)與軋制和擠壓生產(chǎn)來說,仍然規(guī)模很小,占鋁材比例很低(2%~3%)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)文明和安全的進(jìn)步,特別是節(jié)能環(huán)保對(duì)輕量化的要求,鋁合金鍛壓生產(chǎn)及優(yōu)質(zhì)鍛件遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)發(fā)展的需求。為了適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì),大力發(fā)展鋁合金鍛壓生產(chǎn)及其技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。今后,我們的發(fā)展方向是:

1)擴(kuò)大規(guī)模、增大產(chǎn)能,增加品種和擴(kuò)展鋁合金鍛件的應(yīng)用領(lǐng)域;

2)設(shè)計(jì)和制造更多大型、高速的多功能鍛壓設(shè)備,組建若干條大型、先進(jìn)、多用途的鋁合金鍛壓生產(chǎn)線;

3)提高鍛壓件質(zhì)量,滿足進(jìn)一步發(fā)展的國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)防軍工需求;

4)研發(fā)和應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新材料和新設(shè)備,不斷提高鋁合金鍛壓生產(chǎn)的技術(shù)含量,以達(dá)到高效、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低成本、高效益以及節(jié)能、環(huán)保、安全的目的。

1)提高鍛壓件的內(nèi)在質(zhì)量、提高性價(jià)比、提高鋁合金鍛壓件的競(jìng)爭(zhēng)力,即提高鋁合金鍛件的力學(xué)性能(強(qiáng)度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度)和可靠度。這需要更好地應(yīng)用金屬塑性變形的理論;應(yīng)用內(nèi)在質(zhì)量更好的材料,如研發(fā)新合金、熔鑄優(yōu)質(zhì)坯料;精確進(jìn)行鍛前加熱、鍛造及熱處理;更嚴(yán)格和更廣泛地對(duì)鍛壓件進(jìn)行無損探傷等。

2)先進(jìn)省力鍛造工藝的研發(fā)、節(jié)能降耗、改善環(huán)保條件。研發(fā)高效鍛造工藝一直是研究人員熱衷的一個(gè)研究領(lǐng)域。目前省力的途徑主要有:減少拘束系數(shù),實(shí)際生產(chǎn)中常用分流的辦法來減少變形抗力;減少流變應(yīng)力的方法,實(shí)際生產(chǎn)中的超塑性成形和液態(tài)模鍛均屬于這種方法;減少接觸面積;研發(fā)新的鍛壓方法;減少摩擦阻力,采用新型潤(rùn)滑劑。

3)精密鍛造成形工藝的研發(fā)與應(yīng)用。鍛件不需要再進(jìn)行機(jī)械加工就能滿足公差要求,目前已經(jīng)能將鍛件精度控制在0.01-0.05mm以內(nèi)。凈成形和近凈終形鍛造均屬于這類方法。少無切削加工是機(jī)械工業(yè)提高材料利用率、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低能源消耗的最重要的措施和方向。

4)鍛造工程的信息化、自動(dòng)化和管理現(xiàn)代化。在鍛造過程中推廣和應(yīng)用CADCAE、CAMCAD/CAE/CAM一體化技術(shù),實(shí)現(xiàn)鍛造全過程的虛擬生產(chǎn)、工模具設(shè)計(jì)與制造的自動(dòng)化、鍛造后鍛件組織性能預(yù)測(cè)與缺陷預(yù)測(cè),人工智能、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鍛造過程在線質(zhì)量檢測(cè)與在線控制。實(shí)現(xiàn)鍛造工藝過程、生產(chǎn)過程的信息管理,將有效的提升生產(chǎn)過程的效率。

5)微成形技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。通常指零件變形小于0.5mm的變形,這類變形所用材料晶格尺寸沒發(fā)生多大變化。目前隨著微電子工業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)微成形技術(shù)的需求也越來越大。但微成形技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)就在于其尺寸效應(yīng)。

6)環(huán)境友好成形技術(shù)的研究開發(fā)及應(yīng)用。鍛造過程的綠色化、無害化,減少環(huán)境危害,同時(shí)鍛造過程節(jié)約能源,促進(jìn)節(jié)能減排,推廣環(huán)境友好的成形工藝。

 

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