我国冷、温锻造技术的发展

2013-10-13徐祥龙江苏森威精锻有限公司

锻造与冲压 2013年5期

文／徐祥龙・江苏森威精锻有限公司

我国冷、温锻造技术的发展

文／徐祥龙・江苏森威精锻有限公司

徐祥龙，高级工程师，总工程师，国务院政府特殊津贴获得者，主持并完成了摩托车花键轴冷锻成形以及汽车等速万向节壳体冷温锻造等生产项目，开发了汽车等速万向节星形套热—冷联合精密成形技术并建成生产线，《自行车飞轮毛坯冷锻成形技术》和《复杂精锻件冷挤压成形技术研发及产业化》获江苏省科技进步三等奖。

冷锻成形技术是一种优质、高效、低消耗的先进生产技术，被广泛应用于汽车零部件的大批量生产中，20世纪80年代后，冷锻生产又发展到温锻范围。冷、温锻造技术的发展水平已成为衡量国家工业化水平的一个方面。

起步

我国对于冷锻技术的研究和生产始于20世纪60年代初期，后期逐步形成了理论研究体系并进行了广泛的应用实践，但在刚起步的相当长一段时期内并没有形成蓬勃发展的局面，原因主要有以下几点：

⑴冷锻工艺适合于大批量的生产方式，20世纪70年代以前，我国汽车工业主要从事中型卡车的生产，而且生产品种多、规模小、布点分散，无法形成规模化生产，因此，冷锻在当时的汽车工业中难以得到重视和应用。这个时期形成批量生产的汽车典型冷锻件是活塞销和轮胎螺母。

⑵20世纪70年代以前，我国与国外的技术和经济交流少，对国外先进技术和装备的引进比较困难，这也在一定程度上影响了国内冷、温锻造技术的发展。

⑶20世纪70年代开始，中国大陆的自行车生产已实现大批量的生产方式，但由于自行车零部件的附加值很低，因此，虽然冷锻技术在自行车制造业得到了一定的应用和发展，但其生产规模和技术的发展仍相对缓慢，而且也未能推广到其他行业。

⑷企业对冷、温锻造的技术含量估计不足，多数企业为了解决某个产品生产中的瓶颈问题而采用冷锻，把冷锻视同普通的技术革新。局部小规模的冷锻生产缺少足够的技术和经济资源支持，难以全面解决冷锻生产中面临的工艺、设备、材料、模具、表面处理、质量控制等各种问题。因此，这一类冷锻项目很难有稳定和持续的发展。

从20世纪60年代到80年代，冷锻在国外已发展到冷、温锻造，但在我国，因市场原因，冷锻技术虽起步较早，但发展缓慢。在这段冷锻技术发展相对缓慢的时期，形成了一批中国冷锻技术的先驱，他们克服困难、艰苦奋斗，活跃在大专院校、科研院所和生产企业里，在冷、温锻造的研究和生产实践中，解决了很多重大课题，在学术和技术方面达到了较高的研究水平，在国内外享有盛名。

应用现状及特点

20世纪80年代以后，特别是90年代以来，汽车产业成为了我国经济发展的支柱产业，汽车和零部件生产行业快速发展，这给冷、温锻造技术的发展提供了广阔的空间。据统计，我国2011年汽车产销达1800万辆以上，而汽车上的很多关键零件必须用冷锻或温锻工艺制造，在这些关键零部件的本土化生产中，冷、温锻造技术获得了新的发展机遇。

我国冷、温锻造技术的发展历程如图1所示，下面就从以下几个方面来详细阐述冷、温锻造技术在我国的应用现状及特点。

与汽车工业的关系

⑴20世纪80年代末，国内冷、温锻造产品主要是自行车零部件和手表、缝纫机零件以及卡车零部件，年产量大概在5万吨左右。

⑵20世纪90年代，国内的摩托车生产开始进入快速发展阶段，同时乘用车的生产开始起步。部分企业由摩托车零部件的冷锻生产逐步转向汽车零部件的冷、温锻造。这一时期冷、温锻造产品的年产量逐步发展到7万吨以上。

⑶进入21世纪后，我国的汽车工业进入高速发展阶段，这时期有较多的企业开始引进国外先进冷、温锻造设备和技术，及时为汽车关键零部件的本土化生产提供优质的精密锻件。同时，国外优秀的冷、温锻造企业也开始逐步走进中国市场，在中国建立独资或合资企业。截至2010年，包括三资企业在内，国内的冷、温锻造产品的年产量已超过20万吨。

⑷2010年以来，国内汽车工业由高速发展阶段转向调整和有序发展阶段，各重点冷、温锻造企业也都在酝酿着进行技术改造，优化产品结构，以谋求更大的发展。预计近几年，冷、温锻造产品的年产量就会超过25万吨。

冷、温锻造企业的地域分布

我国大陆地区冷、温锻造企业的地域分布，既有集中分布的特点，也有向汽车工业集中地区聚拢的趋势：

⑴江苏和浙江是冷、温锻造企业集中的地区。在此地区有3家国内冷、温锻造的骨干企业，它们分别为江苏森威精锻有限公司、江苏太平洋精锻科技股份有限公司和江苏飞船股份有限公司，它们都集中在苏中、苏北一带，3家企业相距不过100km左右，都位于沿海高速公路或其支线附近。这3家企业的年销售总额超过15亿元。浙江省集中了国内数十家等速万向节冷、温锻造中小企业，每年可提供数千万件等速万向节壳体的冷、温锻件，为国内外的汽车零部件企业和汽车售后市场提供配套。

⑵在东北、天津、山东、江苏、浙江、广东、重庆等汽车工业集中的地区，分别集聚了一批冷、温锻造中小企业。

⑶在广东和香港地区，集中了全世界大部分手表壳体和表带的冷、温锻造生产企业，以及大量电子产品的精密冷锻生产企业。

⑷我国大陆地区的冷、温锻造企业主要集中在沿海经济发达地区和汽车产业集聚区，大部分企业位于交通干线附近，与钢厂和客户间的运输较为方便，地理位置分布合理。

冷、温锻造技术的投资与回报

新发展的冷、温锻造技术以汽车关键零部件本土化生产为背景，以引进先进技术和设备为依托，引进项目投资额巨大，但项目投产后市场前景广阔。

典型的企业如江苏森威精锻有限公司、江苏太平洋精锻科技股份有限公司和江苏飞船股份有限公司，分别引进了冷、温锻造和闭塞锻造技术，从事汽车等速万向节、汽车差速器齿轮和汽车变速箱齿坯等零部件的生产。总投资额虽然巨大，但由于企业采取了与市场同步发展的策略，故亦可使每一期的投资都能及时得到效益回报。20世纪90年代初，这3家企业的年销售额都不超过3000万元，经过20多年的分阶段投资发展，现在每家企业的总投资额都已经达到数亿元以上。2011年，这3家企业的年销售额都在3.8～7.8亿元左右，增长了20～30倍。另外，因为关键技术与国外汽车零部件行业同步，所以，它们在引进技术后也吸引到了更多跨国的汽车零部件客户。

但是，由于冷、温锻造投资大和技术含量高的特点使一般的中、小企业难以进入，因此，在国内的锻造行业中像上述3家企业一样与国内汽车产业同步增长的企业并不太多。

冷、温锻造设备

20世纪80年代，国内仿制过一批梅氏冷锻压力机，总量超过了100台，目前尚有40～50台左右仍在使用；小批量制造过400t、630t和1000t液压冷锻压力机，约为20～30台；90年代及以后，国内压力机制造厂商看到了冷锻技术发展的前景，陆续开发过一些液压和机械传动的冷锻压力机，但都没有形成批量规模；台湾地区向大陆提供了相当数量的冷锻压力机，但主要是短行程的冷锻压力机，主要用于自行车和家电及电子产品的冷锻生产，不适合于汽车零部件的冷、温锻造；作为汽车零部件冷、温锻造的关键设备，如多工位自动温锻压力机以及长行程多工位冷锻压力机等，主要从欧洲和日本引进。

20世纪90年代以来，国内主要引进的冷、温锻造先进装备如下：

⑴多工位自动温锻压力机，如图2所示。

⑵闭塞锻造用多向液压冷锻压力机，如图3所示。

⑶多工位自动冷锻压力机。

⑷相配套的压力机外围设备，如数控伺服步进梁式自动送料机、带石墨涂层装置的温锻感应加热炉、控制冷却装置、高速圆盘锯、精密断料机等。

图2 2000t五工位自动温锻压力机

⑸特种锻造技术和设备。因汽车零部件特种成形的需要，国内少数企业引进了当代先进的冷摆辗成形技术和设备、径向成形技术和设备、振动挤压技术和设备等。引进这些技术和设备的企业有国内企业，但更多的是外资和中外合资企业。

在生产线方面，目前国内的冷、温锻造企业所存在的是少量国际先进的自动化生产线与大量单工位手动生产线同时并存的局面，而造成这种局面的原因主要有以下两点：

⑴为了解决汽车等速万向节和差速器、汽车变速箱等产品的本土化生产，有关企业引进了具有当代国际先进水平的多工位自动温锻压力机和模具技术，以及温、冷联合成形工艺，闭塞锻造和分流锻造等先进成形技术，分别按照欧洲、美国和日本等先进的技术标准生产冷、温锻造产品。这一类生产线具有高精度、高强度、高生产率的特点，与国际先进水平同步，因而也容易被跨国的汽车零部件公司所认可，生产的精密锻件能顺利进入OE配套。

⑵为了应对汽车售后市场低投入、低成本生产的特点，大部分冷、温锻造中小企业使用单工位液压机和通用压力机组成温锻和冷锻生产线(图4)，设备虽然简陋，但由于应用了带石墨涂层的温锻感应加热技术、毛坯加热温度分选技术、温锻模具的喷雾冷却技术、温锻控制冷却技术等当代精密锻造的先进技术，因此可以在生产线投资不大的情况下仍能生产出质量合格的冷、温锻件，而较低的生产成本也提高了这些企业在汽车售后市场的竞争力。

图3 用于闭塞锻造的多向液压冷锻压力机

图4 由感应炉和3台液压机组成的温锻生产线

冷、温锻造模具

冷、温锻造技术引进初期，大部分企业都遇到了模具国产化的问题。经过20多年的发展，多数企业现已建成了各自企业独立配套的模具体系。

⑴出现了冷、温锻造模具的专业供应厂商，如太仓久信精密模具有限公司等，它们专门为冷、温锻造企业提供成形工艺和模具的设计与制作，以及相关的服务。

⑵数控加工和真空热处理技术已深入冷、温锻造模具制造领域。

⑶冷、温锻造模具制造的传统技术——数控电火花加工技术被普遍采用。

⑷当代模具的先进制造技术——数控高速硬铣加工技术在冷、温锻造模具制造领域崭露头角，以其制模加工的快速、高精度和高质量等优点而备受推崇，有被推广普及的趋势。数控高速硬铣成形的精整冲头如图5所示。

图5 数控高速硬铣成形的精整冲头

⑸淬硬钢的硬车代磨技术在冷、温锻造模具制造领域得到了推广与应用，硬质合金的车削成形技术已被少数企业掌握。

⑹模具表面渗层和涂层改性技术得到应用，如热锻/温锻模具的表面氮化、硫氮共渗以及冷锻模具的PVD/CVD处理已有较多的应用案例。

冷、温锻造材料

国内钢厂尚不能像欧洲、日本那样，能向客户提供专供冷、温锻造的特殊棒材，但国内已有若干钢厂能按欧洲和日本标准大批量生产冷锻线材(图6)，这些钢厂分布在天津、南京和上海附近。目前，冷锻线材的供给基本能够满足国内冷镦和多工位冷成形企业的需求。用冷锻线材在多工位成形机上生产的汽车冷锻件如图7所示。

CAE技术的应用

近年来，在我国大陆的高校中，CAE已成为塑性成形专业的重要课程，特别是在研究生的学业中，CAE已成为一门必修课。但企业中的应用尚不够广泛，学校和企业在CAE技术应用方面的合作也有待深入的发展。

图6 冷锻线材

图7 用冷锻线材在多工位成形机上生产的汽车冷锻件

铝合金的冷、温锻造技术

长期以来，我国的铝合金锻造主要集中在国防航空工业，在民用领域，铝合金锻造技术主要用来生产用于高压输电的悬挂金具等。在汽车工业，高档汽车的底盘悬挂系统大都采用铝合金锻件，汽车安全气袋和涡旋式空调压缩机也有铝合金冷、温锻件配套需求，因此，国内已有若干企业开始从事汽车铝合金锻件的生产。近年来，国内豪华汽车的产销增长率远超过普通汽车，而且还有进一步增长的趋势，因此，可以预见汽车铝合金锻件的需求将会越来越大。欧洲和日本的铝合金锻造企业看好我国的汽车铝合金锻件市场，已有若干家著名企业在国内投资设厂，从事汽车悬挂系统铝合金锻件的生产。

图8 气动闭塞锻造模架

技术创新

⑴具有中国特色的气动闭塞锻造模架(图8)。通常，闭塞锻造广泛采用液压闭塞装置，但在20世纪90年代，国内企业开始将高压气缸应用于闭塞锻造中。采用市售氮气弹簧作为闭塞压力源，可使闭塞锻造模架的制造成本大幅度降低，因此这种先进的闭塞锻造工艺得到了广泛的应用。

⑵等速万向节星形套的热—冷联合成形工艺。以高速热镦锻成形机完成星形套的预成形，利用锻造余热完成毛坯退火，最后用闭塞锻造完成星形套的精密成形，它不同于传统的闭塞冷锻成形，具有低成本、高效率和切削性能好等优点。

⑶发电机爪极的热锻—冷整形工艺，可使生产成本降到最低。

⑷大规格齿轮的冷挤压成形，解决了重卡和拖拉机轮边减速器齿轮抗疲劳制造要求和低成本生产之间的矛盾。精密成形的行星减速轮系齿轮零件如图9所示。

展望

⑴我国的汽车工业将由高速发展阶段转入均衡发展阶段：

1)低成本、大批量生产的小排量经济型轿车需要更多更好的冷、温锻造产品。

2)中高档轿车和豪华车需求旺盛，汽车铝合金锻件的本地化生产拥有很好的市场前景。

3)汽车产业的发展前景比较乐观，预计2020年国内的汽车产量将达到4000万辆。

图9 精密成形的行星减速轮系齿轮零件

⑵随着国内劳动力成本的上升，企业对冷、温锻造自动化的需求日益迫切，步进梁式送料机和工业机器人的使用将提上议事日程。

⑶设备厂商和钢厂开始注意冷、温锻造市场。

⑷冷、温锻造企业将向更绿色、更环保的方向发展。冷锻生产对磷化处理的依赖性，给周围的环境带来了严重的负担，许多地区已不允许企业在生产中使用磷化剂。目前，很多企业已在冷锻中使用高分子润滑剂，以争取彻底淘汰对环境有严重污染的磷化皮膜工艺。随着白色脱模剂的试用和推广，冷、温锻造企业有望在不久的将来告别黑色润滑剂。