鋁合金輕量化構(gòu)件

1、鋁合金省力、精密鍛造技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用材料學(xué)院 申尚昆摘要隨著輕量化鋁合金鍛件應(yīng)用和需求量的不斷增加，鋁合金在社會生產(chǎn)、日常生活、國防建設(shè)中都發(fā)揮著不可替代的作用。因此鋁合金的省力鍛造工藝和精密鍛造成型的研發(fā)與應(yīng)用就是提高生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量的重中之重。本文闡述了鋁合金在鍛造過程中省力化和精密化的未來發(fā)展趨勢，著重說明了鋁合金省力、精密鍛造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題，以及未來解決問題的大方向通過已有的傳統(tǒng)鍛造方法中進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，尋找出適合鋁合金及高強度鋁合金特有的省力、精密鍛造技術(shù)方法。同時論述了未來鋁合金鍛造中需要研究的重點問題和內(nèi)容。關(guān)鍵詞：鋁合金；省力鍛造：精密鍛造：發(fā)展趨勢Applicat

2、ion and development of aluminium alloy in labor saving and precision forgingSHEN Shangkun（ the faculty of materials science and engineering of ShanDong university ）Abstract：With the increasing application and demand of light aluminum alloy forgings,aluminum alloy plays an important or essential

3、 role in social production,daily life and national defense construction.Thus,application and development of aluminium alloy in labor saving and precision forging has the priority among priorities to put up productivity and improve quality.This paper presents a comprehensive review on the trend of al

4、uminium alloy forgings development in the future,stress the development status,issues and the direction of solving problems,which is improve and innovate from the traditional forging method.This paper discuss the major research direction in the future as well.一、研究背景與研究意義經(jīng)過十幾年的努力，世界鋁合金鍛壓生產(chǎn)與技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)

5、展，已經(jīng)形成完整的鋁合金鍛壓體系，基本上能滿足國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的需求。但是鋁合金鍛壓生產(chǎn)及鋁合金件較鋁軋制和鋁擠壓來說，仍然規(guī)模很小，占鋁材比例很低（2%-3%）。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，特別是節(jié)能環(huán)保和航空航天科研對輕量化需求的劇增，鋁合金鍛壓生產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)鍛件已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會和制造業(yè)的需求；為了適應(yīng)這種發(fā)展趨勢，大力發(fā)展鋁合金及其技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急，其中省力鍛造工藝和精密鍛造成型的研發(fā)就是提高生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量的重中之重。1.省力鍛造工藝的研發(fā)，節(jié)能降耗，改善生態(tài)環(huán)境條件。鍛件的優(yōu)點是組織致密而且比較均勻，性能優(yōu)于焊接件和鑄造件，但缺點是需要較大的變形力，因此發(fā)展省力鍛造工藝一直是研究人員熱衷的一個

6、研究領(lǐng)域。目前省力的途徑主要有：（1）減少拘束系數(shù)，實際生產(chǎn)中常用分流的辦法來減少變形抗力；（2）減少流變應(yīng)力的方法，實際生產(chǎn)中的超塑性成型、半固態(tài)模鍛和液態(tài)模鍛均屬于這種方法；（3）減少鍛壓過程中的接觸面積；（4）研發(fā)新的鍛壓工藝方法；（5）減少摩擦阻力，采用新型潤滑劑。2.精密鍛造成型工藝的研發(fā)與應(yīng)用。鍛件不需要再進(jìn)行機械切削等加工就能滿足尺寸公差的要求，目前已經(jīng)能將鋁合金鍛件精度控制在0.01-0.05mm以內(nèi)，凈成型和近終形鍛造都屬于這類方法。少用或者無切削加工是機械工業(yè)提高材料利用率、提高勞動生產(chǎn)率和降低能源消耗的最重要措施之一。除此之外，精密鍛造成型還有一個顯著的優(yōu)點就是鍛件質(zhì)量和

7、性價比較高，減少了在機械加工過程中對工件內(nèi)部組織等的影響。3.目前幾種常用的鍛造鋁合金性能分析：（1）、2014合金。2014合金是一種鋁-銅-鎂-硅錳系合金，其成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：0.7Fe，3.9-0.5Cu，0.4-1.2Mn，0.2-0.8Mg，0.1Cr，0.25Zn，0.15Ti，其余為Al。它在T6狀態(tài)下的抗拉強度及屈服強度均比2017、2024、6082等合金高，在高溫下也有高的強度性能，但熔焊性能較差。2014合金的工藝塑性圖、應(yīng)力應(yīng)變曲線分別見圖1-1,1-2。 圖1-1 圖1-2可以看出，合金的變形抗力隨變形溫度的降低和應(yīng)變速率的提高而提高。因此，對于省力鍛造的研發(fā)中

8、應(yīng)當(dāng)緊抓變形溫度與能耗的關(guān)系以及應(yīng)變速率與生產(chǎn)效率的關(guān)系，找到相對既省力又高效的鍛造溫度和速率。（2） 、錳鋁系3A21合金：3A21合金的工藝塑性和應(yīng)力應(yīng)變曲線分別見圖1-3,1-4。根據(jù)圖1-3可以看出，該合金在300度以上直至500度都有較高的塑性。由圖1-4看出它與其他鋁合金有相同的現(xiàn)象，同時各個變形溫度和應(yīng)變速率下的變形抗力絕對值都較低。值得注意的是：錳鋁系合金比其他鋁合金具有更明顯的擠壓效應(yīng)，都有棒材表面層常見的粗晶環(huán)，因此鍛件縱向延伸率會有明顯的降低，最終將會影響到鍛件的精度。嚴(yán)格控制鋁合金鍛件的精度，同樣也是鋁合金鍛造生產(chǎn)工藝?yán)^續(xù)發(fā)展的必要先決條件。圖1-3圖1-42、 鋁合金

9、鍛壓生產(chǎn)與技術(shù)國際研究現(xiàn)狀 1、鋁合金生產(chǎn)國際現(xiàn)狀分析總結(jié)目前，全世界有鍛壓廠上萬家，鍛壓機數(shù)萬臺，年產(chǎn)鍛件近1000萬噸/年，其中，鋁合金模鍛件30萬噸/年左右（年消耗近50萬噸/年）。全球有大小水（液）壓機500余臺，其中100MN以上的大型水（液）壓機30臺左右。300MN以上的重型鍛壓機的分布情況是：俄羅斯4臺，其中兩臺是750MN，為世界之最；美國5臺（其中包括2臺450MN）；法國1臺，為650MN；德國2臺；中國1臺（中國正在建設(shè)和制造450MN和800MN巨型模鍛液壓機）；羅馬尼亞1臺；英國1臺。這些大型水（液）壓機的主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊、功能多、自動化程度高、配備有操作機和快速

10、換模裝置、平面配置合理、有利于連續(xù)作業(yè)、生產(chǎn)效率高。此外隨著鋁合金模鍛件大型化、精密化程度提高，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壓液壓機，其中美國3臺，最大為300MN；法國1臺為650MN；英國1臺為300MN；中國1臺為100MN，俄羅斯2臺為200MN和500MN；德國1臺為350MN。多向模鍛機屬于精密鍛壓設(shè)備，配備了PLC系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)，可對能量、行程、壓力、速度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，對關(guān)鍵部件最佳工作點進(jìn)行控制，對各項工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和顯示，對系統(tǒng)故障、設(shè)備過載、過溫和失控等進(jìn)行預(yù)報和保護(hù)，對制品質(zhì)量進(jìn)行控制。有的還包括有偏移檢測、同步系統(tǒng)、工作臺和機架變

11、形補償、磁包存儲器、集成電路、光纖通訊、彩色屏等，可實現(xiàn)全機或全機列，甚至整個車間的自動控制與科學(xué)管理。除此以外為了生產(chǎn)各種規(guī)格和品種的大、中型精密鍛件，各國還裝配了各種型號的精鍛機，50噸以上的大型鍛錘、平鍛機及512M的大型精密軋環(huán)機，如美國的12M、俄國的10M精密軋環(huán)機，中國也裝備了多臺5M的精密軋環(huán)機。 在鋁及鋁合金鍛件技術(shù)方向研制開發(fā)出了大量的鍛壓新工藝、新技術(shù)，如液體模鍛、半固態(tài)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，對簡化工藝、減少工序、節(jié)省能耗、擴大品質(zhì)、增加規(guī)格、提高質(zhì)量和生產(chǎn)效率、保護(hù)環(huán)境、降低勞動強度、提高經(jīng)濟效益等方面發(fā)揮了

12、重大作用。專用的計算機軟件對控制鍛造溫度、鍛壓力、變形程度（欠壓力）和工藝潤滑等主要工藝參數(shù)，控制制品尺寸和內(nèi)部組織、力學(xué)性能等提供了可靠的保證。模鍛的設(shè)計與制造是鋁合金鍛壓技術(shù)的關(guān)鍵，鍛件CAD/CAM/CAE系統(tǒng)已十分成熟和普及，在美國，CAD/CAM/CAE系統(tǒng)正被CIM（計算機一體化）所代替。CIM包括成套技術(shù)、計算機技術(shù)、CAD/CAM/CAE技術(shù)、機器人、專家系統(tǒng)、加工計劃、控制系統(tǒng)以及自動材料處理等，為模鍛件的優(yōu)化設(shè)計和工藝改進(jìn)提供了條件。如汽車工業(yè)上，對前梁、羊角、輪轂、曲軸等零件進(jìn)行設(shè)計和工藝過程優(yōu)化，可使優(yōu)化設(shè)計后的羊角減重15%，輪轂減重30%，曲軸減重20%，而且大大提

13、高生產(chǎn)效率，降低能耗。 在產(chǎn)品品種和質(zhì)量上獲得了突破性進(jìn)展，目前世界上研制開發(fā)的鍛造鋁合金有上百種，十幾個狀態(tài)，可大批量生產(chǎn)不同合金、不同狀態(tài)、不同性能、不同功能、各種形狀、各種規(guī)格、各種用途的鋁合金鍛件，規(guī)模在30000噸/年以上的大型企業(yè)已有十來家。目前世界上可生產(chǎn)的鋁合金模鍛件的最大投影面積達(dá)5，最長的鋁鍛件達(dá)15m，最重的鋁鍛件達(dá)1.5噸，最大的鍛環(huán)直徑達(dá)11.5m，基本上可滿足最大的飛機、飛船、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、航艇、航母以及發(fā)電設(shè)備、起重設(shè)備等的需要。產(chǎn)品的內(nèi)部組織、力學(xué)性能和尺寸精度也能滿足各種用戶要求，在產(chǎn)品開發(fā)上達(dá)到了相當(dāng)高的水平。 近年來，除中國正在建設(shè)

14、450MN和800MN巨型模鍛機外，世界各國在大、中型鍛壓機的新建和改造方面力度不大，因此，總的來說，世界鋁合金鍛件的生產(chǎn)尚不能滿足交通運輸輕量化對鋁鍛件的需求，有必要新建若干條現(xiàn)代化的大、中型鋁鍛壓生產(chǎn)線。圖2-12、國際鋁合金模鍛中省力技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀（圖2-1中，a為自由鍛，b為開式模鍛，c為閉式模鍛）為了改善在鍛模模腔中的流動特性，防止金屬粘模，鋁合金模鍛時必須使用潤滑劑，潤滑是鋁模鍛工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響鍛件的內(nèi)部質(zhì)量，外表質(zhì)量及生產(chǎn)效率，因此，世界各國都非常重視潤滑技術(shù)（包括潤滑劑和潤滑方式）的開發(fā)。與國外先進(jìn)鍛造廠相比，眾多國內(nèi)鋁加工廠除潤滑劑的品種比較單調(diào)（主要采用石墨+

15、礦物油混合物）外，潤滑方式十分落后。目前仍采用傳統(tǒng)的涂刷方式，其最大缺點是模膛潤滑不均勻，特別是窄而深的模膛，不是沒有油就是潤滑劑存積太多，導(dǎo)致粘模嚴(yán)重或成形很差，筋的頂部充不滿。除此之外，潤滑劑的應(yīng)用也是發(fā)展鋁合金省力鍛造工藝的一大重點，目前國內(nèi)所采用的單一傳統(tǒng)潤滑劑并不能很好地降低鍛造工件與模膛之間的摩擦力，并且還會受到溫度等因素的影響，因此設(shè)備的生產(chǎn)效率比較低；相反，較大的變形抗力會增加對設(shè)備和能源的損耗，造成鍛壓設(shè)備壽命的縮短和能源浪費。就目前而言，國際上通用的鍛壓潤滑劑根據(jù)鍛造溫度的不同分為以下幾種（表2-2）：溫度范圍膜層潤滑劑潤滑劑使用在200-400磷酸鹽石墨或MoS2工件40

16、0-700磷酸鹽（必須迅速加熱）石墨（石墨水）工件或工具700-850無石墨（必須迅速加熱）工件或工具表2-2二硫化鉬成功地用作溫鍛潤滑劑，由于氧化的原因，限制用在170-425。然而，氧化物MoO3仍然具有潤滑作用。WS2和TiS2的氧化溫度比MoS2高。氮化硼在空氣中的潤滑能力保持到800，雖然高溫高壓的聯(lián)合影響還不清楚。目前，WS2和氮化硼的成本高，因為沒有大量生產(chǎn)，所以二硫化鉬仍在最廣泛地應(yīng)用。未來在省力鍛造的發(fā)展過程中，更多的低成本潤滑劑會不斷出現(xiàn)，通過潤滑減小摩擦、變形力和變形功，希望潤滑劑能使摩擦值減到最小，以減小工件應(yīng)力，似工具受力最小。3、 存在的問題及其根源分析1.發(fā)展省力

17、成型工藝的其他具體措施和困境根據(jù)相關(guān)知識可以得到，變形力F=ksA，其中k為應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)，又稱為拘束系數(shù)，在三向壓應(yīng)力的作用下k1。s稱為流動應(yīng)力。A則稱為接觸面積在主作用力方向是的投影面積。因此為了降低在鍛造過程中的變形抗力，即達(dá)到省力鍛壓的目的，最容易想到的辦法就是降低流動應(yīng)力；有兩個非常典型的例子是超塑性成型和液態(tài)模鍛，前者屬于較低應(yīng)變速率，后者則屬于特高溫度下的成型。但是這兩種方法都存在這明顯的弊端，例如在特高溫度下的鍛造成型，首先會對加工設(shè)備工具造成較大的影響，會不可避免的縮短設(shè)備的壽命，同時鋁合金在特高溫度下鍛造會影響其內(nèi)部組織形態(tài)，對最終鍛件的質(zhì)量（強度，塑性，韌性等）造成影響。

18、此外，減小接觸面積A，即減小干摩擦對變形的拘束，其中涉及到的方法有：旋壓、輥鍛、楔橫軋、擺動輥壓以及潤滑劑的選用等；除潤滑劑的選用，其他的方法會增大工藝設(shè)計難度，甚至?xí)瑰懺爝^程變得繁瑣，而潤滑劑的種類和效果又受到成本因素和發(fā)展現(xiàn)狀的影響制約，因此對于省力鍛造而言還有很大的發(fā)展和研究空間。2.鋁合金精密體積成型技術(shù)存在的問題鋁合金的精密塑性體積成型是指成型的制件達(dá)到或接近成品零件的形狀和尺寸，它是傳統(tǒng)的塑性成型加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，其方法目前包括：少飛邊和無飛邊式模鍛，精壓，閉塞式鍛造，多向模鍛，徑向鍛造和等溫模鍛和超塑性模鍛等。其中對于少飛邊開式模鍛和無飛邊閉式模鍛而言：鍛造過程中形成

19、橫向飛邊，飛邊既能幫助鍛件充滿模膛，也可放松對坯料體積的要求（如圖3-1a,b,c為開式模鍛示意圖，圖3-2為無飛邊閉式模鍛示意圖）。圖3-1 圖3-2其中閉式模鍛無橫向飛邊，僅有少量的縱向毛刺，其優(yōu)點是有利于金屬充滿模膛，有利于精心精密模鍛；減少飛邊材料的損耗，提高材料的利用率；節(jié)省切邊設(shè)備，提高生產(chǎn)效率；閉式模鍛是金屬處于明顯的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于低塑性材料的成型等。但是同時也存在著問題，例如在鋁合金精密鍛壓的時候，如何準(zhǔn)確確定毛坯的量，如何控制溫度以及如何減少產(chǎn)生的縱向毛刺等，都是在鋁合金精密模鍛時需要思考的問題。由于鋁合金鍛造的特殊性質(zhì)：在擠壓變形程度小于70之前，隨著變形程度的增加

20、，材料縱向及橫向的強度指標(biāo)都不斷提高。當(dāng)變形程度繼續(xù)增加時，縱向性能繼續(xù)提高，而橫向性能急劇下降，即引起了性能的異向性。 流線的分布情況對鋁合金的性能有很大影響，流線不順、渦流和穿流都使鋁合金的塑性指標(biāo)、疲勞強度和抗腐蝕性能有明顯降低。所以對于要求變形程度較大的鋁合金精密模鍛來說，嚴(yán)格控制尺寸精度的同時還需要考慮鋁合金的塑性指標(biāo)、疲勞強度以及抗腐蝕性能改變等問題，避免出現(xiàn)最終鍛件性能不合要求的情況。4、 鋁合金省力、精密鍛造技術(shù)的需求和發(fā)展趨勢隨著鋁合金鍛件數(shù)量和種類的增加，以及對生產(chǎn)率和生產(chǎn)成本要求的提高，鋁合金的省力、精密鍛造技術(shù)的需求與日俱增。其主要表現(xiàn)在生產(chǎn)流水線自動化程度的提高，生產(chǎn)

21、設(shè)備精密程度的提高和生產(chǎn)成本逐步降低和對環(huán)境影響的不斷減小。為了滿足當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)輕量化的要求，鋁合金的應(yīng)用更加廣泛，主要應(yīng)用于汽車船舶制造領(lǐng)域，航空航天領(lǐng)域以及各種生活日用品之中。但是鋁合金輕量化構(gòu)件的生產(chǎn)仍然有極大發(fā)展空間，其中鋁合金的省力、精密鍛造技術(shù)是最主要的發(fā)展方向之一，因為鋁合金的省力鍛造技術(shù)有利于實現(xiàn)真正的節(jié)能減排，延長工具設(shè)備的生產(chǎn)壽命，同時也能降低鍛造零件因鍛造力過大而產(chǎn)生的應(yīng)力過大，有利于改善鋁合金鍛件的性能；鋁合金的精密鍛造技術(shù)有利于提高構(gòu)件的材料利用率、減少體積成形后機械切削加工的時間和成本，對節(jié)約成本和提高生產(chǎn)率有明顯的積極作用，同時微成形技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用也屬于精密鍛造

22、的范疇，微成形技術(shù)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，鋁合金作為一種輕量化成型材料在微電子領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，因而對鋁合金的微成形技術(shù)的需求也越來越大。但其微成型技術(shù)的一個難點就在于尺寸效應(yīng)，目前還沒有很完美的解決方法，所以精密鍛造技術(shù)中的微成型技術(shù)將成為未來發(fā)展的一個熱點。另外，超高強度鋁合金的誕生使得鋁合金在國防和各種航空航天等科研領(lǐng)域也有了及其廣泛的發(fā)展。由于超高強度鋁合金的強度硬度相比于傳統(tǒng)常用鋁合金要高出很多，因而在超高強度鋁合金的省力鍛造成型就顯得極其重要。除此之外，對于超硬鋁合金材料在閉式模鍛中產(chǎn)生的縱向毛刺，這

23、種毛刺不能用以后的切邊工序去除，只能用手工鏟除或者用切削機床車掉、銑掉。由于精密鍛造，即不產(chǎn)生橫向毛刺，不僅節(jié)約了金屬，還保證了鍛件內(nèi)的纖維完整而不被切斷，這一點對于避免超硬鋁制件的應(yīng)力腐蝕開裂是十分重要的（圖4-1）。圖4-1 無毛邊的模鍛（1-下模，2-上模，3-毛坯）5、 需要研究的重點及其內(nèi)容在上文中已經(jīng)提到的鋁合金的省力、精密鍛造成型技術(shù)已成為未來鋁合金鍛造生產(chǎn)中最重要的研究方向之一。大體來說，鋁合金的省力、精密鍛造成型技術(shù)就是提高鋁合金鍛件的生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，提高工具設(shè)備的壽命以及節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境；具體來說，研究的重點在于如何利用目前已有的省力和精密鍛造方法來對鋁合金經(jīng)行可行的鍛造生產(chǎn)，如何創(chuàng)新針對鋁合金省力和精密鍛造的技術(shù)以進(jìn)一步提高效率降低成本。細(xì)化到該技術(shù)本身來說，就是（1）創(chuàng)新或改進(jìn)現(xiàn)有的鍛造潤滑劑，極大地降低鍛造過程中產(chǎn)生的摩擦力來降低變形抗力。 (2)改進(jìn)現(xiàn)有的省力鍛造方法（例如特高溫鍛造等），使該種特種鍛造方法適用于鋁合金以及高強度鋁合金的鍛造。（3）充分利用閉式模鍛的方法，以保證高精度，并解決鋁合金和高強度鋁合金閉式模鍛中，如何使坯料體積準(zhǔn)確，如何使坯料形狀合理并且能夠在模膛內(nèi)準(zhǔn)確定位的問題。（4）如何在不同情況下（不同鋁合金材料的性能不同，鍛件的尺寸以及性能要求不同）精確控制設(shè)備