铝合金轻量化构件.doc

铝合金省力、精密锻造技术的研发与应用材料学院 申尚昆摘要随着轻量化铝合金锻件应用和需求量的不断增加，铝合金在社会生产、日常生活、国防建设中都发挥着不可替代的作用。因此铝合金的省力锻造工艺和精密锻造成型的研发与应用就是提高生产效率、生产质量的重中之重。本文阐述了铝合金在锻造过程中省力化和精密化的未来发展趋势，着重说明了铝合金省力、精密锻造技术的发展现状和存在的问题，以及未来解决问题的大方向通过已有的传统锻造方法中进行改进创新，寻找出适合铝合金及高强度铝合金特有的省力、精密锻造技术方法。同时论述了未来铝合金锻造中需要研究的重点问题和内容。关键词：铝合金；省力锻造：精密锻造：发展趋势Application 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 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 aluminium 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、研究背景与研究意义经过十几年的努力，世界铝合金锻压生产与技术有了突飞猛进的发展，已经形成完整的铝合金锻压体系，基本上能满足国民经济和国防建设的需求。但是铝合金锻压生产及铝合金件较铝轧制和铝挤压来说，仍然规模很小，占铝材比例很低（2%-3%）。随着社会经济发展，特别是节能环保和航空航天科研对轻量化需求的剧增，铝合金锻压生产和优质锻件已远远不能满足社会和制造业的需求；为了适应这种发展趋势，大力发展铝合金及其技术是当务之急，其中省力锻造工艺和精密锻造成型的研发就是提高生产效率、生产质量的重中之重。1.省力锻造工艺的研发，节能降耗，改善生态环境条件。锻件的优点是组织致密而且比较均匀，性能优于焊接件和铸造件，但缺点是需要较大的变形力，因此发展省力锻造工艺一直是研究人员热衷的一个研究领域。目前省力的途径主要有：（1）减少拘束系数，实际生产中常用分流的办法来减少变形抗力；（2）减少流变应力的方法，实际生产中的超塑性成型、半固态模锻和液态模锻均属于这种方法；（3）减少锻压过程中的接触面积；（4）研发新的锻压工艺方法；（5）减少摩擦阻力，采用新型润滑剂。2.精密锻造成型工艺的研发与应用。锻件不需要再进行机械切削等加工就能满足尺寸公差的要求，目前已经能将铝合金锻件精度控制在0.01-0.05mm以内，净成型和近终形锻造都属于这类方法。少用或者无切削加工是机械工业提高材料利用率、提高劳动生产率和降低能源消耗的最重要措施之一。除此之外，精密锻造成型还有一个显著的优点就是锻件质量和性价比较高，减少了在机械加工过程中对工件内部组织等的影响。3.目前几种常用的锻造铝合金性能分析：（1）、2014合金。2014合金是一种铝-铜-镁-硅锰系合金，其成分（质量分数，%）为：0.7Fe，3.9-0.5Cu，0.4-1.2Mn，0.2-0.8Mg，0.1Cr，0.25Zn，0.15Ti，其余为Al。它在T6状态下的抗拉强度及屈服强度均比2017、2024、6082等合金高，在高温下也有高的强度性能，但熔焊性能较差。2014合金的工艺塑性图、应力应变曲线分别见图1-1,1-2。 图1-1 图1-2可以看出，合金的变形抗力随变形温度的降低和应变速率的提高而提高。因此，对于省力锻造的研发中应当紧抓变形温度与能耗的关系以及应变速率与生产效率的关系，找到相对既省力又高效的锻造温度和速率。（2） 、锰铝系3A21合金：3A21合金的工艺塑性和应力应变曲线分别见图1-3,1-4。根据图1-3可以看出，该合金在300度以上直至500度都有较高的塑性。由图1-4看出它与其他铝合金有相同的现象，同时各个变形温度和应变速率下的变形抗力绝对值都较低。值得注意的是：锰铝系合金比其他铝合金具有更明显的挤压效应，都有棒材表面层常见的粗晶环，因此锻件纵向延伸率会有明显的降低，最终将会影响到锻件的精度。严格控制铝合金锻件的精度，同样也是铝合金锻造生产工艺继续发展的必要先决条件。图1-3图1-42、 铝合金锻压生产与技术国际研究现状 1、铝合金生产国际现状分析总结目前，全世界有锻压厂上万家，锻压机数万台，年产锻件近1000万吨/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30台左右。300MN以上的重型锻压机的分布情况是：俄罗斯4台，其中两台是750MN，为世界之最；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、生产效率高。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，最大为300MN；法国1台为650MN；英国1台为300MN；中国1台为100MN，俄罗斯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，对关键部件最佳工作点进行控制，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。除此以外为了生产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512M的大型精密轧环机，如美国的12M、俄国的10M精密轧环机，中国也装备了多台5M的精密轧环机。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、提高质量和生产效率、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、加工计划、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%，而且大大提高生产效率，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，可大批量生产不同合金、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。目前世界上可生产的铝合金模锻件的最大投影面积达5，最长的铝锻件达15m，最重的铝锻件达1.5吨，最大的锻环直径达11.5m，基本上可满足最大的飞机、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。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，世界铝合金锻件的生产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、中型铝锻压生产线。图2-12、国际铝合金模锻中省力技术研究应用现状（图2-1中，a为自由锻，b为开式模锻，c为闭式模锻）为了改善在锻模模腔中的流动特性，防止金属粘模，铝合金模锻时必须使用润滑剂，润滑是铝模锻工艺的关键技术之一，直接影响锻件的内部质量，外表质量及生产效率，因此，世界各国都非常重视润滑技术（包括润滑剂和润滑方式）的开发。与国外先进锻造厂相比，众多国内铝加工厂除润滑剂的品种比较单调（主要采用石墨+矿物油混合物）外，润滑方式十分落后。目前仍采用传统的涂刷方式，其最大缺点是模膛润滑不均匀，特别是窄而深的模膛，不是没有油就是润滑剂存积太多，导致粘模严重或成形很差，筋的顶部充不满。除此之外，润滑剂的应用也是发展铝合金省力锻造工艺的一大重点，目前国内所采用的单一传统润滑剂并不能很好地降低锻造工件与模膛之间的摩擦力，并且还会受到温度等因素的影响，因此设备的生产效率比较低；相反，较大的变形抗力会增加对设备和能源的损耗，造成锻压设备寿命的缩短和能源浪费。就目前而言，国际上通用的锻压润滑剂根据锻造温度的不同分为以下几种（表2-2）：温度范围膜层润滑剂润滑剂使用在200-400磷酸盐石墨或MoS2工件400-700磷酸盐（必须迅速加热）石墨（石墨水）工件或工具700-850无石墨（必须迅速加热）工件或工具表2-2二硫化钼成功地用作温锻润滑剂，由于氧化的原因，限制用在170-425。然而，氧化物MoO3仍然具有润滑作用。WS2和TiS2的氧化温度比MoS2高。氮化硼在空气中的润滑能力保持到800，虽然高温高压的联合影响还不清楚。目前，WS2和氮化硼的成本高，因为没有大量生产，所以二硫化钼仍在最广泛地应用。未来在省力锻造的发展过程中，更多的低成本润滑剂会不断出现，通过润滑减小摩擦、变形力和变形功，希望润滑剂能使摩擦值减到最小，以减小工件应力，似工具受力最小。3、 存在的问题及其根源分析1.发展省力成型工艺的其他具体措施和困境根据相关知识可以得到，变形力F=ksA，其中k为应力状态系数，又称为拘束系数，在三向压应力的作用下k1。s称为流动应力。A则称为接触面积在主作用力方向是的投影面积。因此为了降低在锻造过程中的变形抗力，即达到省力锻压的目的，最容易想到的办法就是降低流动应力；有两个非常典型的例子是超塑性成型和液态模锻，前者属于较低应变速率，后者则属于特高温度下的成型。但是这两种方法都存在这明显的弊端，例如在特高温度下的锻造成型，首先会对加工设备工具造成较大的影响，会不可避免的缩短设备的寿命，同时铝合金在特高温度下锻造会影响其内部组织形态，对最终锻件的质量（强度，塑性，韧性等）造成影响。此外，减小接触面积A，即减小干摩擦对变形的拘束，其中涉及到的方法有：旋压、辊锻、楔横轧、摆动辊压以及润滑剂的选用等；除润滑剂的选用，其他的方法会增大工艺设计难度，甚至会使锻造过程变得繁琐，而润滑剂的种类和效果又受到成本因素和发展现状的影响制约，因此对于省力锻造而言还有很大的发展和研究空间。2.铝合金精密体积成型技术存在的问题铝合金的精密塑性体积成型是指成型的制件达到或接近成品零件的形状和尺寸，它是传统的塑性成型加工基础上发展起来的新技术，其方法目前包括：少飞边和无飞边式模锻，精压，闭塞式锻造，多向模锻，径向锻造和等温模锻和超塑性模锻等。其中对于少飞边开式模锻和无飞边闭式模锻而言：锻造过程中形成横向飞边，飞边既能帮助锻件充满模膛，也可放松对坯料体积的要求（如图3-1a,b,c为开式模锻示意图，图3-2为无飞边闭式模锻示意图）。图3-1 图3-2其中闭式模锻无横向飞边，仅有少量的纵向毛刺，其优点是有利于金属充满模膛，有利于精心精密模锻；减少飞边材料的损耗，提高材料的利用率；节省切边设备，提高生产效率；闭式模锻是金属处于明显的三向压应力状态，有利于低塑性材料的成型等。但是同时也存在着问题，例如在铝合金精密锻压的时候，如何准确确定毛坯的量，如何控制温度以及如何减少产生的纵向毛刺等，都是在铝合金精密模锻时需要思考的问题。由于铝合金锻造的特殊性质：在挤压变形程度小于70之前，随着变形程度的增加，材料纵向及横向的强度指标都不断提高。当变形程度继续增加时，纵向性能继续提高，而横向性能急剧下降，即引起了性能的异向性。 流线的分布情况对铝合金的性能有很大影响，流线不顺、涡流和穿流都使铝合金的塑性指标、疲劳强度和抗腐蚀性能有明显降低。所以对于要求变形程度较大的铝合金精密模锻来说，严格控制尺寸精度的同时还需要考虑铝合金的塑性指标、疲劳强度以及抗腐蚀性能改变等问题，避免出现最终锻件性能不合要求的情况。4、 铝合金省力、精密锻造技术的需求和发展趋势随着铝合金锻件数量和种类的增加，以及对生产率和生产成本要求的提高，铝合金的省力、精密锻造技术的需求与日俱增。其主要表现在生产流水线自动化程度的提高，生产设备精密程度的提高和生产成本逐步降低和对环境影响的不断减小。为了满足当代工业生产轻量化的要求，铝合金的应用更加广泛，主要应用于汽车船舶制造领域，航空航天领域以及各种生活日用品之中。但是铝合金轻量化构件的生产仍然有极大发展空间，其中铝合金的省力、精密锻造技术是最主要的发展方向之一，因为铝合金的省力锻造技术有利于实现真正的节能减排，延长工具设备的生产寿命，同时也能降低锻造零件因锻造力过大而产生的应力过大，有利于改善铝合金锻件的性能；铝合金的精密锻造技术有利于提高构件的材料利用率、减少体积成形后机械切削加工的时间和成本，对节约成本和提高生产率有明显的积极作用，同时微成形技术的研发与应用也属于精密锻造的范畴，微成形技术通常指零件变形小于0.5mm的变形，这类变形所用材料晶格尺寸没发生多大变化。目前随着微电子工业的快速发展，铝合金作为一种轻量化成型材料在微电子领域有着广泛应用，因而对铝合金的微成形技术的需求也越来越大。但其微成型技术的一个难点就在于尺寸效应，目前还没有很完美的解决方法，所以精密锻造技术中的微成型技术将成为未来发展的一个热点。另外，超高强度铝合金的诞生使得铝合金在国防和各种航空航天等科研领域也有了及其广泛的发展。由于超高强度铝合金的强度硬度相比于传统常用铝合金要高出很多，因而在超高强度铝合金的省力锻造成型就显得极其重要。除此之外，对于超硬铝合金材料在闭式模锻中产生的纵向毛刺，这种毛刺不能用以后的切边工序去除，只能用手工铲除或者用切削机床车掉、铣掉。由于精密锻造，即不产生横向毛刺，不仅节约了金属，还保证了锻件内的纤维完整而不被切断，这一点对于避免超硬铝制件的应力腐蚀开裂是十分重要的（图4-1）。图4-1 无毛边的模锻（1-下模，2-上模，3-毛坯）5、 需要研究的重点及其内容在上文中已经提到的铝合金的省力、精密锻造成型技术已成为未来铝合金锻造生产中最重要的研究方向之一。大体来说，铝合金的省力、精密锻造成型技术就是提高铝合金锻件的生产率，降低生产成本，提高工具设备的寿命以及节能减排，保护环境；具体来说，研究的重点在于如何利用目前已有的省力和精密锻造方法来对铝合金经行可行的锻造生产，如何创新针对铝合金省力和精密锻造的技术以进一步提高效率降低成本。细化到该技术本身来说，就是（1）创新或改进现有的锻造润滑剂，极大地降低锻造过程中产生的摩擦力来降低变形抗力。 (2)改进现有的省力锻造方法（例如特高温锻造等），使该种特种锻造方法适用于铝合金以及高强度铝合金的锻造。（3）充分利用闭式模锻的方法，以保证高精度，并解决铝合金和高强度铝合金闭式模锻中，如何使坯料体积准确，如何使坯料形状合理并且能够在模膛内准确定位的问题。（4）如何在不同情况下（不同铝合金材料的性能不同，锻件的尺寸以及性能要求不同）精确控制设备打击能