谈美国锻造工业技术路线图

文/黄少东·重庆西南技术工程研究所

谈美国锻造工业技术路线图

文/黄少东·重庆西南技术工程研究所

早在1996年末，美国就提出了2020年锻造工业愿景，其战略目标是：到2020年，锻造将是关键应用场合所需整体、优质、高性能金属构件的低成本、优选制造方法。具体有以下几个方面：

⑴在工模具方面，其寿命至少比目前水平增加10倍，要减少每件的工模具成本至少达50％，要从下订单后24h内制造出工模具。

⑵能源消耗，减少整个锻造工艺能源消耗20％，每个锻件能源成本减少75％。

⑶材料利用，原材料消耗至少减少15％，减少切削加工余量90％。

⑷生产率，提高每位从业人员生产率50％，每个锻件人力成本减少60％，锻造设备平均正常运行时间率达到90％。

⑸质量，减少废品或返修件至每百万件中不足25件，过程控制水平达到±8σ。

⑹环保，不产生有害气体燃烧物，在锻造厂里完全消除烟雾排放，实现锻造过程中所有液体循环使用。

由以上内容可见，美国对2020年锻造工业愿景提出了很高的目标。

有了锻造工业愿景，下一步是分析、理清达到愿景目标的技术，美国锻造行业为此提出要编制锻造工业技术路线图，将其作为所需研究与技术里程碑的蓝图，连接战略目标与实际研究内容的战术方案，研究由工业企业与研发机构合作进行。

为此，美国锻造行业于1997年8月26～27日在芝加哥伊利诺斯组织召开了锻造工业技术路线图研讨会，该研讨会由锻造工业教育及研究基金会共同倡导，并与美国能源部工业技术办公室合作。研讨的与会专家共44人，分别来自锻造企业及供应商、学术界和国家实验室，他们就主要目标、技术壁垒、关键研究需求达成了共识，编制了锻造工业技术路线图，并在2003、2008年进行了修订。

2008年修订版概括了美国锻造工业发展战略，以保证将来锻造企业不仅生存，还要增长与发展，具体路线图见图1。

首先，路线图明确了未来愿景，该愿景与1997年版、2003年版相同：将来锻造工业是以用户为中心的高效、低成本供应高质量构件的世界领先者。

面临的外部变化

在追求上述愿景中，锻造工业面临着一系列外部推动力的作用，它们既制造了障碍，也提供了机遇。包括：

⑴波动的经济与市场环境。锻造工业对很不稳定的经济与市场环境敏感，例如能源成本、汇率、金融脆弱的制造业（汽车、航空等）需求、金属材料供应，为了应对不可预测的变化，锻造企业不得不更敏捷、更有弹性与柔性，适应性更强。

⑵加速的技术变化。锻造是依赖于技术的行业，极大地受科技突破与创新的影响。新的技术进展能够带来新的威胁，也会带来新的机遇，使得未来更不好预测。这就增加了研发投资所产生的风险，落后就始终是威胁。锻造企业不得不创新，用有限的资金使技术最新。

⑶强化的全球竞争。对于锻造工业，全球竞争不仅意味着有其他国家锻造企业的竞争，也有来自用其他方法替代锻造制造构件的企业与行业的竞争，还有来自用其他材料制造构件的企业与行业的竞争。

⑷日益增加的用户需求。日益增加的用户需求推动了企业持续改进与创新，其要求锻造工业生产的锻件要保持高强度、可靠、耐久、（低成本）买得起的优势，同时要提供新的优势。

图1 锻造工业技术路线图（2008年修订）

行业挑战

2008年修订版指出了美国锻造行业所面临的挑战：

⑴在市场方面。日益增加的国际竞争，熟练工人差距（相对于日本、德国），世界范围内技术在提升，美国技术领导地位的丧失（设备、自动化及维修），对用户反应迟钝，市场反应减慢，潜能降低，日益增加的来自其他产品形式的竞争（如铸造件，用板材等机加的工件），其强度接近锻件，依赖于航空工业不够健康，由于市场泡沫（风能、乙醇）造成的市场不稳定及难以预测，与用户的联系减少，来自其他材料的竞争增加。

⑵劳动力。缺乏愿在制造业工作的人员，日益缺少有经验及技术熟练人员，例如有经验的工程师、工艺、冶金人才和工模具设计人员，相对于教育、培训，技术发展更快，缺乏使技术工人升级及维持所需的充足技术培训项目、资料，教育系统缺乏熟练技艺的训练，缺乏支撑技能及具有技术背景的良好的一线管理人员，需培训减少工伤，劳动力成本增加导致整个制造成本增加，健康管理成本上升。

⑶技术。改进加热系统能源利用效率，通过改进材料利用、加热及模具寿命减少成本，模具磨损，获得材料热物性数据，发展工艺用智能传感器，需改进传感器技术，保证锻造者有适当的设备满足未来需求，锻造系统设计有安全系统，温度测量，缩短预热时间，在低重量下有更高的强度，进行磁场加工以改变相图，在全球竞争下推动创新。

⑷材料。上升的材料成本，需要比目前材料具有更低的合金含量及更高性能的新型钢材，一些材料得到有限，依赖钢而缺乏较便宜的替代材料，不同合金（非钢）的需求增长，显著缺乏材料研究，在材料应用中工艺效能低，浪费太大。

⑸能源。能源成本上升，在利用能源时，工艺、生产效能低，缺乏有效的能源应用，如最优锻造温度以减少加热成本。

⑹政府。美国政府对制造业的需求、重要性和价值重视不够，政府对工业目标的实现支持不够。需控制智力资源，过多的美国技术流向亚洲。政府立法、政策、规则、贸易协定等对锻造工业有不利影响。

⑺环境。目前的锻造工艺中需创造绿色工作环境，减少不利的环境影响。需通过政府、环境组织、一般公众降低容限，加强检查。在目前的锻造工艺中减少不利的环境影响会增加成本负担。

优先任务

为了应对上述挑战，路线图提出了以下优先任务（行动）：

⑴改进市场定位。锻造工业如何很好地进行市场定位会影响其适应变化的市场环境与投资新市场的能力，更重要的是，市场定位能拓展锻件需求的深度与广度。改进市场定位的优先行动有：寻求与用户更密切的联系，包括更好地了解变化的用户需求，主动了解、修正用户的感受，了解锻件在用户业务中的利益与地位，不断开展用户培训以改进锻件设计与采购。发展工业能力以寻求核发电厂建设市场。了解其他国家的技术路线图，寻求与其他国家锻造企业的联系，寻求最大可能合作与互相学习并使直接竞争出现可能最小的方式。开发商业工具（如追踪及预测工业经营周期的方法），以帮助单个企业应对市场的不稳定，开发替代供应链使工业经营周期保持平衡，重新定位锻件作为整个产品成本的一部分，不是一个商品。

⑵发展现有及未来人力资源。发展现有及未来人力资源是近、长期对工业的投资，其直接涉及工业保持竞争能力及使技术为现行先进技术，保证具有满足将来用户需求的能力，也保证锻造工业能够保持质量与生产标准，满足变化的需求，为发展使锻造工业能拓展市场（通过给用户需求提供更宽的服务）的新的和更稳健的能力打下基础，并决定了锻造工业中的技术与产品创新的质量。优先行动有：发展项目与资源以重新培训雇员使用新的技术，支撑改进或重新设计的制造工艺，如3D建模培训，工模具失效方面的培训以降低成本。寻求更好留住有才能的人员的方式，拓展人力资源，寻求人机工程安全解决方案以改善工作条件，使工人能长期从事该行业，重新招收外国工程师以满足技术人力资源需求；寻求与教育机构的合作关系，持续努力在学校中吸收有才之士到锻造行业中来，与大学合作设立实习与学徒式项目，与高中、技术学院、地方社区真正建立联系，鼓励高中教基本的业务技能（如金属车间），向年轻人介绍锻造行业的职业机会，提供奖学金等。

⑶争取公共政策支持。锻造行业的公共政策推进会影响公共政策支持或阻碍行业竞争性与经营自由的程度，特别是影响调节控制水平和与锻造企业有矛盾的行政官僚程度，也影响政府支持程度及锻造行业研发资金。优先行动有：发展集中的政府策略，建立影响，进行有目的的游说，寻求政府对节能投资的支持；应用大众关系活动，改善锻造行业的公众形象，如发行出版物介绍锻造的优势，提高公众对锻造的认识，认识锻造在所有种类能源生产中的地位，认识锻件在经济中占所有产品的20％等。

⑷建立工业指南与最优做法。该行动会增强锻造工业的整体工作水平，相应会提高其质量、效率、声誉，也会为改进与供应商与用户的交流、合作、信任打下基础，该行动对发展稳健及世界一流的维持全球市场竞争优势的能力也是必要的。优先行动有：在全世界范围内对所选事项或作业（如自动化）进行数据收集以建立最优做法数据库，要对标世界先进企业，寻求企业管理与技术创新的最优做法，向其他国家的设备、自动化做法学习，通过应用与分享最优做法找到热锻、温锻、冷锻的优缺点，发展计算最少加热时间（最低成本）的方法，确定最优锻造温度规范，以保证最优能源使用，确定锻造标准（如ISO标准，将协议用于产品数据），保证设备制造商意识到并满足锻造工业需求、标准，进行安全调查，确定最优做法，更好地理解分析整个生产成本，并建立成本标杆，就锻造作业与输出进行交流，建立通用指南，如低成本材料指南。

⑸加强材料选择与使用。材料是锻造的一个重要成本因素，其与锻造工业下游盈利能力有直接的联系。同时，材料也是决定锻件性能与功能的重要因素。因此，材料选择与使用会影响行业产品创新的潜力与向用户提供新利益及寻求新市场的能力。优先行动有：发展新的方法，使锻造工艺中的材料损失最小；在模锻中减少材料损失（如飞边），与用户合作寻求替代材料，减少合金材料以减少成本；与美国钢铁研究学会合作，确定材料的真实最大强度，以优化使用贵重合金元素；在供应链中减少材料损失，使钢厂与锻造工艺结合，发展高合金替代材料以降低成本，发展高强度低质量材料，发展不需锻后热处理的材料。

⑹减少能源成本，提高效能。能源是锻造中另一个重要成本因素，尤其加热时，低效应用能源会对锻造工业下游盈利能力有不利影响，也会使锻造工业相对不稳定的能源价格更加脆弱，高效地利用能源将有助于减少锻造工业对环境的不利影响。优先行动有：寻求减少锻造能源利用中的成本及提高效能的方法，包括发展低成本、高热效率、环境友好的加热源，用替代能源降低成本，与能源供应商合作实现高效加热，鼓励新技术投资，发展高效加热系统、加热炉，发展回收与利用低品位与高品位废热的技术，使行业与政府资金用于减少能源成本加热系统的研发；进行能源审计，保持更好的控制，改善锻造能源管理，

⑺提升锻造技术水平。该行动一方面是锻造工业通向未来路径的重要部分，另一方面，它是寻求连续改进质量与生产率以达到减少成本目标，并形成新的能力，满足用户新需求的路径。优先行动有：减少设计至形成最终锻造产品的时间，寻求锻造工业更大自动化，通过工艺传感器改进自动化，改进机器人技术；寻求工模具、设备、工艺创新，使设备供应商提供新技术，改进燃烧器设计以降低CO/CO2/NOx排放，改进诊断技术以减少维修，通过发展新工模具材料，进行工艺模拟，开发应用新的涂层（如纳米涂层），发展新润滑剂以提高模具材料寿命，寻求减少碳排放的方法，通过自动润滑系统改善环境，提高开发近净成形产品能力以减少材料与能源成本等。

为了实施锻造工业技术路线图，美国于2000～2007年间安排了多项研究项目，如各种级别钢适宜锻造温度研究，应用先进模具材料与润滑系统减少温、热锻模具磨损，将快速红外加热用于铝合金锻件热加工，坯料感应加热温度规范的稳健设计，锻件设计与工艺模拟的最优做法，开式模锻内部缺陷的特征，V与V+Nb锻件用钢材机械性能比较，发展下一代加热系统用于钢的无氧化再加热，借助火焰图像对天然气锻造加热炉进行诊断与控制，锻造对镁合金拉伸强度与组织的影响，原始组织对球化处理（以增强冷锻能力）的影响，应用焊接预成形生产新型锻件的试验研究，锻钢与可锻铸铁曲轴的疲劳性能比较与性能预测，流动应力测试，通过压力信号特征提取对锻造工艺进行监测与控制，基于传感器的热变形工艺预测与控制，闭环控制的锻件表面与尺寸智能检测系统，动态加载下曲轴的应力分析与优化，热锻模具钢的回火行为研究，用纳米试验仪器评价热锻模具钢的表面机械性能等。

战略措施

路线图给出了实施锻造工业技术路线图的四项战略措施：

⑴卓越经营。通过提高生产率，降低成本，减少损失，减少对环境的影响，将卓越经营推向更高水平，其是变得更强、更有竞争力的基础。

⑵发展能力。通过发展人力资源、最优做法、发展技术、追求新市场在行业与企业两个层面上发展能力，这是变得更强、更有竞争力的关键步骤，其反映了行业适应与追求新市场的能力，难以模仿的新能力使行业具有持续的竞争优势。

⑶伙伴合作。实现愿景需要政府、学术机构、用户和供应商甚至竞争者的有机合作，其是变得更强、更有竞争力的另一个关键步骤。

⑷产品与市场创新。该措施说明锻造行业要更加有意识地、系统地以用户为中心，其是变得更强、更有竞争力的顶点。这说明价值是由用户创造，用户的愿望始终是变化的主题，要了解并满足用户需求，锻造行业必须能对其产品及与用户的关系再创新。

结束语

从美国锻造工业技术路线图可见，美国锻造工业技术发展更注意从市场、人力资源、公共政策、材料、能源、技术等多方面综合努力，对我们有很大的参考价值。今年是“十二五”承上启下的重要一年，锻造行业全体从业人员要共同努力，扎实工作，努力贯彻锻压行业“十二五”发展规划，争取在尽可能短的时间内赶上并超过发达国家工业水平。