鍛造行業(yè)的發(fā)展新趨勢(shì)課件

1、鍛造行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì) The New Development Trend of the Forging Industry 上海交通大學(xué) 王以華Shanghai Jiaotong University: Wang Yihua摘要 本文列舉大量事實(shí)論證了目前 鍛造行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)為“六化” 鍛件精密化，鍛造材料輕量化， 模具制造數(shù)字化，鍛造設(shè)備智能化，鍛造生產(chǎn)線自動(dòng)化，鍛造行業(yè)組合全球化。Abstract: The essay demonstrates the development trend of the die forging industry as forging parts sophist

2、ication, die forging material lightweight, die manufacturing digital,servolize in die forging equipment , forging industry combination globalization by enumerating. 關(guān)鍵詞 鍛造行業(yè) 發(fā)展 趨勢(shì)Key words: forging industry, Development , Trend 引言 鍛造是機(jī)械制造的基礎(chǔ)工藝之一，是機(jī)械產(chǎn)品不可缺少的重要環(huán)節(jié)。在電站、冶金、機(jī)械裝備、鐵道、造船、航空航天、兵器、汽車、化工等部門中都占有很

3、重要地位。尤其在飛機(jī)上約有85%、汽車上約有58%、農(nóng)機(jī)上約有70%的零部件均采用鍛壓工藝制造。因?yàn)椴捎缅憠汗に囍圃斓牧慵粌H強(qiáng)度高、韌性好，而且節(jié)材、節(jié)能、成本低、適用于大批量生產(chǎn)。正如世界著名鍛壓權(quán)威，英國(guó)伯明翰大學(xué)T.A.Dean教授在人類進(jìn)入21世紀(jì)之際撰文指出：歐洲的鍛造者將是把歐洲帶入21世紀(jì)提供高科技零件的源泉。目前，國(guó)內(nèi)外鍛造企業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為“六化”：鍛壓企業(yè)發(fā)展六化1.鍛件精密化2.鍛造材料的輕量化3.鍛模加工數(shù)字化4.鍛壓設(shè)備驅(qū)動(dòng)智能化5.鍛造生產(chǎn)線自動(dòng)化6.鍛壓企業(yè)組合全球化 1.鍛件精密化1整個(gè)鍛造技術(shù)發(fā)展總體趨勢(shì)是更精更省，達(dá)到不需機(jī)械加工或少許機(jī)械加工就可使

4、用。實(shí)現(xiàn)鍛件精密化，要在精鍛工藝上下功夫。因?yàn)榕c普通模鍛相比，精鍛件可降低成本6070，降低勞動(dòng)成本95。用精密模鍛工藝制造出價(jià)廉物美產(chǎn)品，是各汽車制造商奮力拼搏的殺手锏。如豐田汽車廠屬下有12家分廠，其中就有4家致力于精鍛件的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。日本2009年冷鍛件產(chǎn)量為77027t，占模鍛件總量6.95%.美國(guó)伊頓公司年產(chǎn)精鍛齒輪件100多萬(wàn)件，公差0.030.05mm。 1.鍛件精密化2近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在擠壓成形、冷鍛及溫鍛、粉末鍛造等高效率、高質(zhì)量、高精度、節(jié)能、節(jié)材工藝的應(yīng)用發(fā)展很快。有代表性的鍛造新技術(shù)是凈形精密鍛造，典型零件是齒形鍛造和閉式鍛造的汽車變速器零件。在鍛造齒輪類零件方面眾多廠家都

5、在進(jìn)行這方面的研究開(kāi)發(fā)。下圖為用于汽車和電器的部分精鍛產(chǎn)品。用于汽車部分及電子部分的精鍛產(chǎn)品 1.1 實(shí)現(xiàn)精密化的主要途徑1 1.1.1 冷溫?zé)徨懙膹?fù)合工藝?yán)溴懯窃谑覝叵鲁尚蔚?，鍛件精度可達(dá)IT811；溫鍛是高于室溫低于金屬再結(jié)晶溫度以下成形，一般在700900鍛造，此時(shí)，氧化皮厚度僅在10m左右，精度可達(dá)IT1114；熱鍛一般在金屬再結(jié)晶溫度以上成形，即在8501250鍛造，精度可達(dá)IT1316。冷溫?zé)徨懙木C合成形性能、成本、精度見(jiàn)下表熱鍛、溫鍛、冷鍛性能成本比較表 成 形 工 藝熱溫冷工件重量0.05-3210kg0.001-50kg0.001-30kg精 度IT13-16IT11-14I

6、T8-11表面質(zhì)量Rz50-100m30m10m流變應(yīng)力（原材料）20-30%30-50%100%對(duì)數(shù)變形能力（原材料）641.6成形費(fèi)（用德國(guó)機(jī)床制造協(xié)會(huì)文集1991）至113%100%至147%切 削量多少很少 1.1.1 冷溫?zé)徨懙膹?fù)合工藝2從表中可見(jiàn)，就材料的變形能力來(lái)看，熱鍛是冷鍛將近4倍。為了使一些復(fù)雜件也能凈形鍛造，就要采用冷熱結(jié)合或溫冷組合工藝。上海保捷汽車零部件鍛壓公司的Valeo的輪轂就是采用這一工藝。原來(lái)韓國(guó)全是冷鍛，21道工序，成本之高不難想象。該司采用溫鍛冷整形，僅用7道工序就達(dá)到韓國(guó)的要求。太平洋精鍛公司原來(lái)設(shè)計(jì)也是單一的冷鍛，近年來(lái)，也轉(zhuǎn)向熱鍛或溫鍛冷整形。 Va

7、leo 輪轂整形后的鍛件實(shí)物溫鍛冷整形的鍛件 1.1.1 冷溫?zé)徨懙膹?fù)合工藝3上海納鐵福傳動(dòng)軸有限公司，在2000年花近1億元引進(jìn)德國(guó)SCHULER公司16MN Forgemaster壓力機(jī)，專用于外星輪、三銷套溫鍛后冷整形精密生產(chǎn)線。經(jīng)多工位溫鍛后得到的外星輪溫鍛件。但其杯部?jī)?nèi)腔的下半部為球形面和球溝槽，而上半部則是圓柱面和直溝槽。由圖3可見(jiàn)，外星輪精鍛件要求杯部?jī)?nèi)腔上下部分均為球面和球溝槽。為此，需要通過(guò)冷縮徑精整，以達(dá)到外星輪精鍛件的要求。 溫鍛冷整形的外星輪等鍛件 外星輪溫鍛工步圖 左起15 外星輪溫鍛工步圖，6為冷整形鍛件 1.1.1 冷溫?zé)徨懙膹?fù)合工藝3外星輪的冷精整工藝：將外星輪

8、溫鍛件拋丸后，再用半球形整體凸模冷精整鍛件杯部?jī)?nèi)腔；接著用組合結(jié)構(gòu)球形凸模（芯部為錐形芯棒，外層分割為6瓣）頂著鍛件內(nèi)腔杯底，將其強(qiáng)制通過(guò)帶錐角的凹模。由于凹模對(duì)鍛件上半部杯壁產(chǎn)生徑向力作用，從而使杯壁金屬產(chǎn)生徑向塑性流動(dòng)緊緊包住凸模上球面。當(dāng)壓力機(jī)到達(dá)下死點(diǎn)后，向上抽出錐形芯棒，6塊分瓣球形凸模便向心收縮，于是，鍛件的內(nèi)腔脫離球形凸模的組合結(jié)構(gòu)被取出。從圖4可以看出，組合結(jié)構(gòu)的球形凸模的設(shè)計(jì)、凹模錐角的優(yōu)化以及溫鍛件杯部的幾何參數(shù)，則是外星輪精密縮徑的技術(shù)關(guān)鍵。外星輪精整模 外星輪鍛件放入模具 完成冷縮徑，組合沖頭拔出 1.1.1 冷溫?zé)徨懙膹?fù)合工藝4對(duì)外星輪冷精整后的鍛件內(nèi)球面和滾道僅需一

9、道磨削加工，磨削余量0.3mm。2002年初投產(chǎn)，25件/分，年產(chǎn)300萬(wàn)件。幾年來(lái)，經(jīng)濟(jì)效益凸現(xiàn)，現(xiàn)第二條精鍛線也已建成投產(chǎn)。結(jié)合齒b)整體形式圖1 結(jié)合齒零件a)組合形式 結(jié)合齒成形工步及其整形模 左起14為4工位熱鍛制坯 ，左起第5為齒形精整結(jié)合齒成形工步及其整形模 鍛件局部放大 組合整形模 結(jié)合齒鍛件全貌 1.1.2 等溫模鍛工藝1等溫鍛造是指把模具加熱到與坯料變形的相同或相近的溫度，在較低速度變形過(guò)程中，使熱毛坯和模具溫度基本保持不變的鍛造方法。等溫模鍛是60年代末發(fā)展起來(lái)的鍛造新工藝，運(yùn)用這一新工藝可以生產(chǎn)出凈尺寸的產(chǎn)品。1972年，在美法理博城首次展出等溫模鍛件。美伊利諾斯州理工

10、學(xué)院研究所的有關(guān)專家認(rèn)為，等溫鍛造在鍛造技術(shù)中堪稱突破。 1.1.2 等溫模鍛工藝2在普通壓力機(jī)或錘上精化鍛件時(shí)，由于模具的溫度較低，工件肋或角隙部位易于冷卻，再加變形速率較高，變形抗力明顯增加，這些都會(huì)阻礙金屬對(duì)模具型腔的充填。 葉輪等溫模鍛件 1.1.2 等溫模鍛工藝3上圖所示是上海交通大學(xué)研制的葉輪等溫模鍛件。所鍛葉輪葉片高寬比達(dá)到12：1。與同樣材質(zhì)的2A50（LD5）普通模鍛件相比，強(qiáng)度增加20，延伸率增加76，完全滿足40300轉(zhuǎn)/分的要求。該葉輪等溫模鍛的模具裝置示于下圖。 等溫模鍛件模具結(jié)構(gòu) 上機(jī)匣鍛件實(shí)物照片MB15鎂合金溫度定為340350 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的前風(fēng)扇葉片（型號(hào)：R

11、B211-524）a普通模鍛，耗材約25kg； b精密模鍛，耗材約15kg a) b)材料TC4鈦合金 等溫度950 1.1.3 半固態(tài)成形1半固態(tài)金屬加工技術(shù)就是金屬在凝固過(guò)程中，通過(guò)劇烈攪拌或凝固過(guò)程的控制，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮固相組分近球形的固液混合漿料（固相組分甚至可高達(dá)60）。這種半固態(tài)金屬漿料具有流變和觸變特性，即半固態(tài)金屬漿料具有很好的流動(dòng)性，易于通過(guò)普通方法成形形狀比較復(fù)雜產(chǎn)品。 1.1.3 半固態(tài)成形2基礎(chǔ)研究階段是從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，90年代后期，半固態(tài)加工技術(shù)進(jìn)入了商業(yè)化的應(yīng)用階段。規(guī)模較大的有法國(guó)Pechiney,美國(guó)Alumax、意大利的Stampal

12、、瑞士的Buhler。國(guó)外這些技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，尤其是汽車工業(yè)和3C產(chǎn)業(yè)。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)在半固態(tài)加工技術(shù)上還處于從實(shí)驗(yàn)室向試生產(chǎn)過(guò)渡階段。其它的精密成形方法還有超塑性成形、液態(tài)模鍛、擺動(dòng)碾壓、徑向鍛造等等。 半固態(tài)加工成形的汽車零件 半固態(tài)加工的3C產(chǎn)品 我國(guó)生產(chǎn)的半固態(tài)零件 1.1.4 可分凹模模鍛可分凹模模鍛是閉式模鍛和開(kāi)式模鍛的綜合，它既具有閉式模鍛能減少甚至消除飛邊金屬損耗等主要優(yōu)點(diǎn)，又具有開(kāi)式模鍛能模鍛形狀復(fù)雜的鍛件的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)分模模鍛的鍛件其纖維流線連續(xù)且無(wú)飛邊，具有優(yōu)秀抗應(yīng)力腐蝕能力，綜合力學(xué)性能提高30，節(jié)材近50。因此該技術(shù)可以廣泛用于汽車、航空、航天、化工和人工關(guān)節(jié)等領(lǐng)域。

13、1.1.4 可分凹模模具圖1.1.4 可分凹模模鍛榮威自動(dòng)變速箱DCT倒檔軸的分模精鍛模具。普通開(kāi)式模鍛件重7.91kg（參見(jiàn)圖1），而分模鍛鍛件重只有4.90kg ，每件節(jié)材3.01kg ,達(dá)38.1%，以年產(chǎn)20萬(wàn)件計(jì)，則可節(jié)材602噸，該種材料為20MnCrSH，不含稅價(jià)8500元/噸，節(jié)約合600萬(wàn)元/年。這還不計(jì)節(jié)省機(jī)械加工等費(fèi)用。節(jié)省了材料，也就是高耗能的煉鋼少了，廢氣的排放也少了。1.1.4 可分凹模模鍛件用于閉塞鍛造的模具 利用連桿機(jī)構(gòu)的閉塞鍛造模架的結(jié)構(gòu)圖。讓上下沖頭以同樣的速度進(jìn)入靜止的上下模膛的過(guò)程等同于把下沖頭固定，上沖頭和上下模以2：1的速度向下運(yùn)動(dòng)的一種相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)

14、程。連桿機(jī)構(gòu)的閉塞模架就是利用這個(gè)原理，利用連桿機(jī)構(gòu)得到滑塊1/2的速度，中間墊板（圖3-30的36）以該速度下降，安裝在中間墊板上的模具也以同樣的速度下降。要給沖頭以不同的速度，只要調(diào)整連桿的長(zhǎng)度即可實(shí)現(xiàn)。保捷汽車零部件鍛壓公司，每年鍛件產(chǎn)量約5萬(wàn)噸，其中以15鍛件采用分模鍛制造，可年節(jié)材達(dá)2500噸，可年節(jié)費(fèi)1200萬(wàn)元。若推廣到全國(guó)，我國(guó)2009年產(chǎn)模鍛件479萬(wàn)噸，則僅年節(jié)材費(fèi)用就可達(dá)數(shù)10億元以上！ 1.1.5精鍛廠紛紛建立1.1.5(1)上海保捷鍛壓公司投資2.75億元從德國(guó)進(jìn)口2條精鍛生產(chǎn)線，日本進(jìn)口1條生產(chǎn)線；現(xiàn)已建成臺(tái)灣金豐1000t5工步軸類自動(dòng)生產(chǎn)線。1000t5工步冷鍛

15、軸類模具（2）福達(dá)集團(tuán)年產(chǎn)10萬(wàn)噸精鍛件建成投產(chǎn)廣西自治區(qū)推進(jìn)的重大項(xiàng)目，投資8.3億元，其中14000t雙曲柄熱模鍛壓力機(jī)為俄產(chǎn)，其它先進(jìn)設(shè)備來(lái)自德國(guó)、美國(guó)、芬蘭、日本及韓國(guó)。 2. 鍛造材料輕量化1可用于鍛造的輕金屬主要有鋁合金、鎂合金、鈦合金及銅合金。近年來(lái)，由于能源價(jià)格的不斷攀升，汽車制造業(yè)也提出輕量化的要求。一輛轎車的重量若減輕10，油耗可降低810。飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量每降低1kg，其使用費(fèi)用通?？晒?jié)約220440美元/小時(shí)1。近年來(lái)，鎂合金在世界上的需求量年增長(zhǎng)率20，而我國(guó)鎂儲(chǔ)藏量占世界70。鍛造鎂合金具有更高的強(qiáng)度、更好的延展性和更多樣化的力學(xué)性能。但是，幾十年來(lái)，鎂合金的鍛造產(chǎn)

16、品僅用在很少的幾個(gè)方面，主要原因是鎂合金自身塑變特性決定其難于鍛造成形，制造成本較高，產(chǎn)品價(jià)格昂貴，下圖示出直升飛機(jī)上機(jī)匣鎂合金鍛件。等溫模鍛的鎂合金 直升機(jī)上機(jī)匣鍛件實(shí)物照片 2. 鍛造材料輕量化2 鈦合金與其它結(jié)構(gòu)材料比較，其最重要的優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度高；熱強(qiáng)性好，在400500溫度范圍內(nèi)，鈦合金的比強(qiáng)度超過(guò)了多數(shù)不銹鋼和抗氧化鋼。耐腐蝕，如江南造船廠將鈦絲吊在海水中一年，腐蝕僅0.01mm。因此，鈦合金首先在航空航天、造船工業(yè)和人造關(guān)節(jié)中得到應(yīng)用。世界上所生產(chǎn)的鈦合金的60用于航空航天工業(yè)，如美國(guó)F22戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金的用量達(dá)到41。由于價(jià)格等原因，民用客機(jī)波音-777中鈦合金的用量還只有結(jié)構(gòu)質(zhì)量

17、的7。 2. 鍛造材料輕量化3盡管鈦合金有很多優(yōu)點(diǎn)，但因價(jià)格昂貴，限制了在汽車工業(yè)中的應(yīng)用。值得關(guān)注的是，日本2008年一年汽車上用鈦量是過(guò)去10年總和。大眾汽車公司裝配了一臺(tái)全鈦車體汽車，撘配了300ml氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)，車重為290kg，1L柴油可跑100km的優(yōu)良經(jīng)濟(jì)效率。到2006年，美國(guó)鍛造企業(yè)總數(shù)為371家，其中專業(yè)鍛造鋁合金28家，占總數(shù)的7.5%;專業(yè)鍛造鈦合金21家,占總數(shù)的5.7%。鍛造有色金屬工廠比例遠(yuǎn)高于我國(guó)，目前，我國(guó)從事鈦合金生產(chǎn)的專業(yè)工廠僅有2家：陜西寶鈦實(shí)業(yè)公司和上海樺廈實(shí)業(yè)有限公司。下圖所示為鈦合金的人造關(guān)節(jié)鍛件。 鈦合金人造關(guān)節(jié) 采用鈦合金制造人工關(guān)節(jié)、接骨板和螺

18、釘、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、下頜骨(圖9)、人造錐體、心臟啟博器外殼、人工心臟以及頭蓋骨等。 2. 鍛造材料輕量化4日本對(duì)鋁合金鍛造的研發(fā)也投入了巨大人力和物力。2009年日本鋁合金鍛件產(chǎn)量為30459t13，占整個(gè)模鍛件的2.75%。本田汽車公司2004年10月發(fā)表戰(zhàn)略報(bào)告說(shuō)，每輛轎車將使用200KG鋁合金零件，其中40KG為鍛件。鋁鍛件成本構(gòu)成：材料費(fèi)59，其中16是剝皮損耗。鑄坯經(jīng)變形量達(dá)到80后，疲勞強(qiáng)度增加20；在鑄坯中加鈣，沖擊韌性增加25。豐田汽車公司說(shuō)，新工藝使材料成本下降25。相對(duì)鑄造而言，以前杠桿為例，重量下降43。 2. 鍛造材料輕量化5預(yù)計(jì)今后幾年，我國(guó)每輛汽

19、車上用鋁合金達(dá)到130KG。摩托車上使用鋁合金鍛件也在迅猛增加。使用鍛鋁活塞，發(fā)動(dòng)機(jī)功率增加10。懸掛件用鋁件代替鑄鐵件減重3540，相對(duì)鋁鑄件減重25。 2. 鍛造材料輕量化6俄羅斯等國(guó)家已初步完成用鋁合金做汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿代替40Cr材質(zhì)的連桿的科學(xué)研究，2A50（LD5）鋁合金連桿與40Cr的相比，總費(fèi)用高出1012，但其他的間接好處更多。并分析用新的鋁合金來(lái)制造零件的可能性：前梁、凸輪、懸掛杠桿、軸承殼體、轉(zhuǎn)向節(jié)叉、后橋套筒、車架橫梁等。由此看來(lái)，鋁合金的用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他有色金屬，圖13示出用鋁合金制出的部分鍛件。 致力于輕量化 福特減少鋁材料使用.近日底特律北美國(guó)際車展上發(fā)布的野馬Sh

20、elbyGT350R通過(guò)使用碳纖維車輪使車身重量降低了52磅（約合19.4千克），并且還通過(guò)移除350R的空調(diào)、立體音響、后排座位以及其它非必要設(shè)施的方法使該車型減少了70磅重量（約合26.1千克），不過(guò)在實(shí)際量產(chǎn)中福特不會(huì)使用這種方式達(dá)到減重目的。部分鋁合金鍛件 以上內(nèi)容可以參閱鍛模設(shè)計(jì)技術(shù)及實(shí)例，王以華等主編，機(jī)械工業(yè)出版社，2009.1. 3鍛模制造技術(shù)數(shù)字化1模具作為工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備，在汽車、能源、機(jī)械、信息、航空航天、國(guó)防工業(yè)和日常生活用品的生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。75的粗加工零件、50精加工零件都由模具成形。家電行業(yè)的80零件、機(jī)電行業(yè)50以上零件也都要靠模具加工。因此，模具又被稱

21、為“百業(yè)之母”。模具生產(chǎn)的工藝水平及科技含量的高低，成為衡量一個(gè)國(guó)家科技與產(chǎn)品制造水平的重要標(biāo)志之一，在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力，決定著一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。2013年，我國(guó)模具銷售額達(dá)到1500億元15一般地說(shuō)，模具費(fèi)用占鍛件成本的3.36。因此，提高模具壽命，是降低鍛件成本，提高其競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑之一。而模具壽命和模具材料、熱加工規(guī)范、模具結(jié)構(gòu)、機(jī)械加工及使用工況等諸多因素有關(guān)。 3鍛模制造技術(shù)數(shù)字化數(shù)字化制造技術(shù)已成為提升產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段，而塑性成形和模具技術(shù)的數(shù)字化將成為21世紀(jì)該項(xiàng)技術(shù)的核心。把計(jì)算機(jī)引入鍛壓工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域作為金屬成形領(lǐng)域第三個(gè)發(fā)

22、展階段。德國(guó)Walter Scheid公司有5條精鍛生產(chǎn)線。該公司在開(kāi)發(fā)外星輪和三銷套新產(chǎn)品時(shí)，使用模擬技術(shù)，從以前修模35次降至現(xiàn)在12次。運(yùn)用MSC軟件模擬，每次可節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)100010000美元；透平葉片模擬后由3工步減少到2工步，成本節(jié)約1/3。可見(jiàn)該項(xiàng)新技術(shù)在工藝設(shè)計(jì)時(shí)的重要作用。然而這個(gè)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，近年，被稱為“第3次工業(yè)革命”的3D打印技術(shù)。一些發(fā)達(dá)國(guó)家制造業(yè)已經(jīng)突破了由3D實(shí)體模型向可用于制造和向車間轉(zhuǎn)移的實(shí)用轉(zhuǎn)折：（1）3D模型的可制造化；（2）3D設(shè)計(jì)向3工藝轉(zhuǎn)換；（）將產(chǎn)品和工藝信息向制造作業(yè)的工人傳遞；（）制造作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)的采集和反饋；（）數(shù)字化質(zhì)量和依從性文檔

23、的管理。與傳統(tǒng)方式相比，一些公司采用數(shù)字化制造后，可使研制周期縮短至原來(lái)，研制成本降低50%。數(shù)字化加工的模具國(guó)內(nèi)外模具現(xiàn)狀及創(chuàng)新要點(diǎn) 模具 國(guó)外已將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用 到模具工業(yè)。從預(yù)測(cè)成形向控制成形發(fā)展，如日本Y.Tsuchiya等人開(kāi)發(fā)了預(yù)測(cè)鍛模壽命的CAE系統(tǒng)，包括模具應(yīng)力與溫度分析，模具鋼的回火參數(shù)與使用中的硬度計(jì)算，模具表面的損傷圖，以及模具表面破壞與磨損量的估計(jì)等。德國(guó)K.Mueller對(duì)積極摩擦的擠壓可將擠壓開(kāi)始階段的鐓粗力由一般擠壓時(shí)最大變形力的38降低到18，從而提高了模具壽命，生產(chǎn)率提高10。英國(guó)PTI公司提供給我國(guó)三銷套冷精整凸模表面經(jīng)涂層處理后，壽命達(dá)20萬(wàn)件；粉末冶金冷

24、精整凹模壽命達(dá)30萬(wàn)件。 已能生產(chǎn)精度達(dá)2m精密多工位級(jí)進(jìn)模 ，工位最多達(dá)160個(gè)；已能生產(chǎn)48英寸電視機(jī)塑殼模具等。有15000多個(gè)企業(yè)，50余萬(wàn)職工，有266個(gè)專業(yè)模具廠和分廠，2002年產(chǎn)值達(dá)300多億元。是模具生產(chǎn)大國(guó)，但還不是強(qiáng)國(guó)。模具的生產(chǎn)水平和使用壽命與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有很大差距。一些優(yōu)質(zhì)的模具鋼和復(fù)雜的模具還需進(jìn)口。模具制造的周期長(zhǎng)、質(zhì)量差、成本高，使用性能和壽命也比較低。提高模具壽命的辦法也只是就事論事，尚未有成熟的軟件指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。進(jìn)口的CAD/CAM系統(tǒng)和設(shè)備，很少進(jìn)行2次開(kāi)發(fā)。導(dǎo)致每年數(shù)億美元的模具市場(chǎng)向國(guó)外開(kāi)放。 大多數(shù)設(shè)計(jì)者已用CAD軟件繪圖，手工制作電極，電火花機(jī)

25、床加工型腔。少量模具廠采用，數(shù)控銑加工電極，電火花機(jī)床加工型腔。極少數(shù)廠采用CAD/CAM技術(shù)，用5軸高速數(shù)控銑直接加工淬硬模塊，模塊可以反復(fù)利用，模具表面失效后，無(wú)需退火，可以再銑下幾毫米，又成一副新模具。因此，模具成本得以大幅降低。 在模具材料和化學(xué)熱處理方面，也做了不少工作。如滲硼、氰化、氮化等方法，提高模具表面耐磨性和壓應(yīng)力。以上海柴發(fā)鍛造公司135連桿為例,原模具平均壽命5500件/副，從預(yù)熱、模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)、熱處理工藝改進(jìn)后，平均壽命提高到9000件/副；采用法國(guó)的低成本Srsulf鹽浴氮化處理，平均壽命提高到13000件/副，壽命提高了136，成本下降3.97元/件。 1.開(kāi)發(fā)適于

26、不同用途的模具材料，提高模具鋼的純凈度。 2.開(kāi)發(fā)模具的選材、設(shè)計(jì)、制造、使用更理性化。 3.開(kāi)發(fā)精密模具加工成套設(shè)備，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程數(shù)字和智能化。國(guó)內(nèi)外模具現(xiàn)狀及創(chuàng)新要點(diǎn)精沖 瑞士Feintool公司代表了當(dāng)今世界的最高水平。 1985和1992年引進(jìn)瑞士Feintool公司的軟硬件。華夏精沖、內(nèi)江鍛壓、黃石鍛壓等開(kāi)發(fā)了適合中國(guó)國(guó)情的經(jīng)濟(jì)型精沖設(shè)備，通過(guò)了國(guó)家鑒定。襄樊中航科技、蘇州東風(fēng)精沖公司進(jìn)行了汽車精沖零件的開(kāi)發(fā)，起到了領(lǐng)頭羊作用。中國(guó)的精沖隊(duì)伍約5000人。 1996年起，上海交通大學(xué)與Feintool合作開(kāi)發(fā)精沖軟件、以及精沖機(jī)理和過(guò)程數(shù)值模擬分析等。通過(guò)知識(shí)工程手段對(duì)Feintoo

27、l 多年來(lái)在精沖領(lǐng)域積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)進(jìn)行集成，融合了20多種典型精沖工藝，提高設(shè)計(jì)效率6倍以上。上海交運(yùn)總公司掌握了復(fù)雜的高精度座椅精沖件模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)以及零件的生產(chǎn)技術(shù)。1).精沖材 料的開(kāi) 發(fā)。2).人才的 培養(yǎng)。3).多工位 精沖復(fù) 合成形 模具開(kāi) 發(fā)。 4鍛壓裝備驅(qū)動(dòng)智能化1從2010年亞洲第3屆國(guó)際鍛造會(huì)議中可以看出金屬成形設(shè)備發(fā)展的總趨勢(shì)是向伺服化、磁浮化、快鍛化、高自動(dòng)化、成套化、成線化、高度柔性、復(fù)合化、高精度、高效、高速度、環(huán)保、節(jié)能、降噪音等方向發(fā)展。熱模鍛壓力機(jī)在發(fā)達(dá)國(guó)家是模鍛的主要設(shè)備，占模鍛設(shè)備總量的4064，我國(guó)僅有350臺(tái)，占總模鍛設(shè)備2830臺(tái)的12.4

28、13。 4.1 鍛壓裝備驅(qū)動(dòng)智能化2除鍛錘外，成形設(shè)備大都采用機(jī)械或液壓驅(qū)動(dòng)，其動(dòng)力源為交流異步電動(dòng)機(jī)，工作瞬間主要依靠飛輪提供所需能量，速度不能調(diào)節(jié)與控制，故其工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性只能是單一的，工藝適應(yīng)性差，這是最大缺點(diǎn)。采用伺服控制，主要依靠伺服電機(jī)的瞬時(shí)扭矩提供壓制力，作用力、速度和位置等工藝參數(shù)的控制可達(dá)到較高的精度。與傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、滑塊運(yùn)動(dòng)柔性好、降噪（90dB）節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。 4.1 鍛壓裝備驅(qū)動(dòng)智能化3目前，日本AIDA壓力機(jī)制造商開(kāi)發(fā)的伺服壓力機(jī)稱之為繼蒸汽驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)后的第三代壓力機(jī)，具有劃時(shí)代意義。它采用計(jì)算機(jī)控制，利用數(shù)字控制技

29、術(shù)可以對(duì)壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)自由自在控制，可以對(duì)滑塊位置重復(fù)控制精度達(dá)0.01mm，輸出力可控精度達(dá)1.6%；滑塊運(yùn)動(dòng)軌跡也可任意控制，噪聲75db。從而為提高復(fù)雜零件的成形、環(huán)境保護(hù)、模具壽命的提高提供了良好的條件。在日本已進(jìn)入普及期14 4.1 鍛壓裝備技術(shù)伺服化4德國(guó)Enomoto Machine Co.,Ltd.制成了伺服驅(qū)動(dòng)螺旋壓力機(jī)。除了其它優(yōu)點(diǎn)以外，節(jié)能也是其突出優(yōu)點(diǎn)之一。以使用30kW伺服電機(jī)的螺旋壓力機(jī)為例，可以產(chǎn)生3000kN的打擊力；而選用機(jī)械直接驅(qū)動(dòng)方式，使用相同功率電機(jī)情況下，螺旋壓力機(jī)最多也只能產(chǎn)生700800kN 的打擊力。可節(jié)約3050電能。小松25000kN機(jī)械連桿伺服

30、壓力機(jī) 原理圖 25000kN伺服壓力機(jī) 4.2 鍛壓設(shè)備驅(qū)動(dòng)智能化6德國(guó)西馬克梅爾公司和意大利菲賽普公司推出了最新研制的“直驅(qū)式”螺旋壓力機(jī)13。其基本原理是采用上海“磁懸浮”列車驅(qū)動(dòng)技術(shù)。定子作為機(jī)架的一部分，轉(zhuǎn)子作為飛輪盤，定子和轉(zhuǎn)子通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子無(wú)需任何勵(lì)磁繞組，簡(jiǎn)化為外徑固定永磁鐵的鋼環(huán)。圖17示出壓機(jī)的一般原理，圖18示出直驅(qū)式馬達(dá)的原理和作用。4.2 鍛壓設(shè)備驅(qū)動(dòng)磁浮化圖17 SPE系列新型直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的一般原理圖18 “直驅(qū)式”馬達(dá)的原理和作用4.2 鍛壓設(shè)備驅(qū)動(dòng)磁浮化4.2 鍛壓設(shè)備驅(qū)動(dòng)智能化7傳統(tǒng)壓機(jī)的飛輪和旋轉(zhuǎn)是通過(guò)與2個(gè)摩擦盤分別接觸而帶動(dòng)滑塊上下運(yùn)

31、動(dòng)。新型直驅(qū)式的整個(gè)馬達(dá)-摩擦盤系統(tǒng)被旋轉(zhuǎn)直線無(wú)刷馬達(dá)所替代，馬達(dá)轉(zhuǎn)子就是飛輪。永久磁鐵具有一種獨(dú)特的帶防護(hù)涂層，并采用嵌入工藝直接貼在飛輪上（見(jiàn)圖 18）。4.2 鍛壓設(shè)備驅(qū)動(dòng)磁浮化8扭力限定裝置設(shè)在飛輪和螺桿之間，可防止機(jī)器過(guò)載。馬達(dá)定子被做成可互換的模塊，由樹(shù)脂材料固封，防止粉塵進(jìn)入。直驅(qū)式壓機(jī)更加柔性，它可節(jié)約50%70%電能，還可使電機(jī)的功率因數(shù)接近1。B-777主起落架，鍛件重達(dá)3210kg，用于世界最大的民航機(jī)A380上，是世界最大的航空模鍛件4.3 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)9起動(dòng)電流小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高?？深l繁起停及正反轉(zhuǎn)切換，起動(dòng)時(shí)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。當(dāng)起動(dòng)扭矩為額定扭矩的1.5倍時(shí)起動(dòng)電流

32、只達(dá)到額定電流的30%。節(jié)能效果顯著。公司對(duì)相同噸位（400型4000KN）的雙盤摩擦壓力機(jī)與J58型電動(dòng)螺旋壓力機(jī)進(jìn)行了測(cè)試：測(cè)試時(shí)間均為1小時(shí)，每分鐘打擊次數(shù)為19次。摩擦壓力機(jī)耗電為20度/小時(shí)，電動(dòng)壓力機(jī)為16度/小時(shí)?？晒?jié)約電能20。 4.4自由鍛液壓機(jī)快鍛化10對(duì)于大型自由鍛件，我國(guó)目前出口+自己消費(fèi)約350萬(wàn)噸/年。而我國(guó)1000t以上壓機(jī)就有450臺(tái)，還不包括眾多的自由鍛錘。以目前設(shè)備能力自由鍛的產(chǎn)能已高達(dá)950萬(wàn)噸，有近2/3產(chǎn)能過(guò)剩。 但是，對(duì)于快鍛液壓機(jī)由于它的優(yōu)異性能正在崛起。例如蘭石制造的20MN快鍛機(jī)，80次/分，可控精度1mm。 余姚寧波通迪于2008年購(gòu)進(jìn)德國(guó)潘

33、克7000t快鍛機(jī)，寶雞鈦業(yè)于去年購(gòu)進(jìn)德國(guó)潘克10000t快鍛機(jī)。在7000t快鍛上鍛造的鈦合金鍛件（約10t）5.鍛造生產(chǎn)線自動(dòng)化1隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈化，勞動(dòng)力及原材料的價(jià)格上漲，對(duì)于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，人們不約而同地想到自動(dòng)化生產(chǎn)線。工業(yè)機(jī)器人將迎來(lái)“爆發(fā)季”。到2011年每萬(wàn)人雇傭工人中所擁有機(jī)器人數(shù)量見(jiàn)下表： 表 到2011年每萬(wàn)人雇傭工人中所擁有機(jī)器人數(shù)量國(guó)別中國(guó)美國(guó)德國(guó)日本韓國(guó)機(jī)器人數(shù)量21135251339347由于模鍛過(guò)程的自動(dòng)化，毛坯的精度能夠提高1012%。可鍛出鍛件質(zhì)量1%的公差；鍛件溫度誤差可控制在10；還設(shè)有自動(dòng)清理和潤(rùn)滑模具裝置。與自動(dòng)化程度有關(guān)的自動(dòng)化機(jī)器的價(jià)格是通

34、用壓力機(jī)1.22倍。對(duì)同一個(gè)鍛件生產(chǎn)率是通用壓力機(jī)的1.510倍。 在熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)生產(chǎn)線上 典型鍛件的制造參數(shù)及生產(chǎn)率近年來(lái)已建成的自動(dòng)線5.1.我國(guó)已建成萬(wàn)噸級(jí)汽車類鍛件生產(chǎn)線十多條，加上計(jì)劃新上的生產(chǎn)線接近20條。只有新近少數(shù)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。以德國(guó)、美國(guó)為代表正在將生產(chǎn)線推向新的技術(shù)層面向智能化邁進(jìn)。世界第一臺(tái)最大俄產(chǎn)熱模鍛壓力機(jī)140MN落戶桂林臨桂秧塘工業(yè)園。2012年 6月28日，1.4萬(wàn)噸雙曲柄熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)出首個(gè)鍛件。標(biāo)志著自治區(qū)年產(chǎn)十萬(wàn)噸精密鍛件項(xiàng)目建成投產(chǎn)。5.2引進(jìn)德國(guó)KP12500、MP8000熱模鍛壓力機(jī)全自動(dòng)生產(chǎn)線中國(guó)重汽（香港）有限公司濟(jì)南鑄鍛中心引進(jìn)德國(guó)K

35、P12500、MP8000熱模鍛壓力機(jī)全自動(dòng)生產(chǎn)線。中心占地51萬(wàn)平方米，1569人。主要鍛件是卡車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)、連桿等，年產(chǎn)10萬(wàn)噸。各工步間用德產(chǎn)KUKA機(jī)器人操作。在125MN熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)線上，只有一名當(dāng)班工人，其它工步由8臺(tái)機(jī)器人完成，40秒/件，年產(chǎn)40萬(wàn)件；主要設(shè)備：2臺(tái)3400kW感應(yīng)電爐、1000mm輥鍛機(jī)、1250t切邊壓力機(jī)、200t扭擰機(jī)、2000t液壓矯正機(jī)等。該司技改共投入8.3億元。5.3 上海通用東岳鍛造車間占地面積 6822平方米，總 投 資 2.7億人民幣，員工 62人， 其 中工程技術(shù)人員11人， 現(xiàn)場(chǎng)管理人員4人。每年生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿和齒輪鍛

36、件30萬(wàn)臺(tái)套。圖1 16000KN熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)線及其連桿鍛件一模2件，耗時(shí)5秒5.4熱鐓自動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線32009年2月，由重慶長(zhǎng)江軸承股份有限公司、上海保捷汽車零部件鍛壓有限公司、上海汽車變速器有限公司三方合作成立的熱鐓自動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線在上海保捷廠區(qū)內(nèi)建立。 從俄羅斯引進(jìn)的一臺(tái)自動(dòng)熱鐓鍛機(jī)。前期投入達(dá)6000萬(wàn)元，它的性能不亞于哈特貝爾制造的熱鐓自動(dòng)機(jī)。開(kāi)機(jī)率提升到了65%以上，日生產(chǎn)量7萬(wàn)件，廢品率0.02%以內(nèi)，2013年產(chǎn)值1億元，人均500萬(wàn)元以上。目前該生產(chǎn)線上的員工總計(jì)不到10名。該線主要為上海通用及上海大眾配套，上海通用GF同類型設(shè)備的月生產(chǎn)能力在國(guó)內(nèi)的最高水平大致在每月40-50

37、萬(wàn)件/月，在世界范圍內(nèi)的最高水平在60-70萬(wàn)件/月，而目前該項(xiàng)目的月產(chǎn)量通過(guò)設(shè)備后期的改進(jìn)后已經(jīng)穩(wěn)定在100-120萬(wàn)件，大大超出了國(guó)內(nèi)外目前的最高水平。預(yù)計(jì)到2013年底，該線的月產(chǎn)量將達(dá)到200萬(wàn)件/月左右，將極大的滿足上海通用及上海大眾的生產(chǎn)需求。5.2熱鐓自動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線 圖 熱鐓自動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線 上海保捷高速鍛與傳統(tǒng)鍛造的比較 傳統(tǒng)鍛造生產(chǎn)節(jié)拍大致在4-6件/分鐘，而該高速鍛節(jié)拍一般在60-100件/分鐘，生產(chǎn)節(jié)拍為傳統(tǒng)鍛造的10倍以上。按每月生產(chǎn)120萬(wàn)件的產(chǎn)品進(jìn)行比較，高速鍛的設(shè)備數(shù)量及人工需求均為傳統(tǒng)鍛的1/10左右，設(shè)備占地面積為傳統(tǒng)1/4左右?？梢韵胂螅羰且髠鹘y(tǒng)鍛造每月真的生

38、產(chǎn)120萬(wàn)件產(chǎn)品將消耗多么大的人力、物力，而利用高速鍛生產(chǎn)這方面的需求將大大降低。上海保捷1000噸鍛軸自動(dòng)線 項(xiàng)目生產(chǎn)線設(shè)備/臺(tái)人員工序班產(chǎn)量/件能耗KW/h鍛件精度成本元/件常規(guī)55610003.36同軸度142.8自動(dòng)11550000.448同軸度0.532.3表1 倒檔軸常規(guī)生產(chǎn)與自動(dòng)線生產(chǎn)比較5.5 豐田鋁連桿全自動(dòng)生產(chǎn)線圖 4 鋁連桿成形工步圖 豐田新的鋁鍛件生產(chǎn)線最顯著的特點(diǎn)是用緊湊式的直線生產(chǎn)線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大設(shè)備生產(chǎn)線。用機(jī)器人來(lái)完成從材料到最終成品檢測(cè)的自動(dòng)化傳送，因此，可以實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。鋁連桿的材料為A6061，其工藝流程如下：按要求切斷后的原材料中頻感應(yīng)加熱4工步輥鍛制坯再加熱預(yù)鍛終鍛沖孔切邊整形T6熱處理（淬火+人工時(shí)效）酸堿清洗熒光探傷尺寸檢驗(yàn)機(jī)械加工包裝入庫(kù)13道工序。連桿輥鍛制坯好處輥鍛毛坯的過(guò)程使原始毛坯金屬分配以消除過(guò)分變形導(dǎo)致的復(fù)雜肋部折疊、穿筋流、夾層、裂紋、纖維流線的紊亂和連續(xù)性破壞缺陷4，甚至為了制造具有毛坯高的利用系數(shù)和低的勞動(dòng)量的高質(zhì)量鍛件。1)改善了金屬組織，甚至應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)圖，在輥鍛條件下，毛坯壓縮變形程度大幅度提高，保證了中心區(qū)域良好組織及金屬流動(dòng)方向細(xì)小晶粒；2)由于提高了毛坯的精度，最大程度接近鍛件形狀和尺寸，故模具壽命提高2035%；3）減少毛坯名義損耗1025%（與