锻造行业执行《中国制造2025》的几点建议（上）

文/夏巨谌·华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室

张运军·湖北三环锻造有限公司

锻造行业执行《中国制造2025》的几点建议（上）

文/夏巨谌·华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室

张运军·湖北三环锻造有限公司

本文首先简要介绍了《中国制造2025》的基本方针及三步走战略目标，然后提出了如何执行《中国制造2025》的总体思路及技术路线图，进而提出了以提高技术水平为主的八点建议，在已经开局的“十三五”规划的开头之年，可供锻造行业制订各自的发展计划时参考。

《中国制造2025》的基本方针及三步走战略目标

基本方针

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。自十八世纪中叶开启工业文明以来，世界强国的兴衰史和中华民族的奋斗史一再证明，没有强大的制造业，就没有国家和民族的强盛。打造具有国际竞争力的制造业，是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。

三步走战略目标

第一步：到2020年，掌握一批重点领域关键核心技术，优势领域竞争力进一步增强，产品质量有较大提高。制造业数字化、网络化、智能化取得明显进展。重点行业单位工业增加值能耗、物耗及污染物排放明显下降。力争用十年时间，迈入制造强国行列；到2025年，制造业整体素质大幅提升，创新能力显著增强，全员劳动生产率明显提高，两化（工业化和信息化）融合迈上新台阶。第二步：到2035年，我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平。第三步：新中国成立一百年时，制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。

执行《中国制造2025》的总体思路及主要技术内涵

执行《中国制造2025》的总体思路及主要技术内涵（图1）为：

图1 总体思路及技术路线图

⑴锻造工艺数字化、信息化及网络化：锻件材料的物理性能参数与锻造工艺参数，通过物理模拟和数值模拟，得到锻件的尺寸、力学性能及微观组织等信息，通过互联网传输到锻造设备或所需网站。

⑵锻造设备数字化、信息化及网络化：数控锻造设备本身已具有设备技术参数及性能指标功能，通过位移、速度、压力及温度等传感器数据采集系统及处理系统得到所需与锻件质量相关信息，通过与上述信息比较，实现对锻造设备的优化控制，进而得到优质锻件。

⑶智能制造：应当包括智能制造技术和智能制造系统，智能制造系统不仅能够在实践中不断地充实知识库，具有自学习功能，还有搜集和理解环境信息与自身的信息，并进行分析和判断自身行为的能力。智能化精密锻造技术属于国家重点发展的智能技术之一。

执行《中国制造2025》的八点建议

以节省材料为目的的精锻成形工艺

精锻成形工艺简称精锻，它是使锻件的形状和尺寸精度尽可能接近乃至完全达到零件的形状和尺寸精度要求的一种少无切削新工艺，亦称近净成形新工艺。一般模锻件所能达到的尺寸精度为±0.50mm，表面粗糙度也只能达到Ra12.5μm，而精锻件所能达到的一般精度为±0.25mm，较高精度为±0.10mm，表面粗糙度可达Ra3.2～Ra0.4μm。据粗略计算，每100万吨钢材由切削加工改为精密模锻，可节约钢材15万吨以上，自2010年以来，我国锻件总产量一直稳定在1100万吨以上，可节约钢材165万吨，相应节约锻造加热电能7.425亿千瓦时。

近10年来，我国冷、温、热精锻成形工艺取得了长足进步，其代表性成果有轿车直锥齿轮冷精锻、载重车直锥齿轮和轿车等速万向节温精锻、结合齿轮热精锻﹢冷精整、饼盘齿轮坯无飞边闭式精锻、前轴和转向节及连接板平面薄飞边精锻、钩尾框复合精锻等，但发展水平仍然与德国和日本等国相差10年以上，仍应进行大力开发与推广应用。

以节能减排为目的锻件轻量化

据分析统计，我国汽车尾气排放已成为一种主要的空气污染源，汽车能耗约有60%消耗于自重，车重减轻100kg，百公里油耗可减少0.4L，可减少尾气排放1kg。

轻质材料的应用是实现汽车轻量化的主要途径，目前，铝合金已成为国内外用于汽车零部件制造的首选轻金属材料。根据资料，美国每辆轿车铝合金使用量（冲压件、锻件）达到36.3%；日本2004年悬挂系统铝锻件产量达到了2000年的五倍。据统计，铝锻件在世界锻件总量中由1985年的0.5%上升到2002年的15%。

铝合金锻件在国际上是发展趋势，大多数锻件用于汽车车桥、底盘构件。例如德日美锻造或挤压铝合金轮毂、传动轴、悬挂件、控制臂、左右拉杆、转向节等零件。锻造铝合金已开始用于发动机零件（如连杆、活塞等），还有轿车铝合金门铰链。另外，高速列车为实现轻量化，其车厢骨架及车身覆盖件，几乎全部采用铝合金零件。但是，目前国产轿车铝合金锻件使用量较少，每辆轿车仅5kg左右，今后将有越来越多铝合金锻件替代钢质锻件。

以信息化智能化为目的的数字化精锻工艺优化技术

数字化精锻成形技术是将数值模拟技术同传统的塑性成形理论、精密锻造工艺、材料、模具、设备及计算机相结合于一体的新的成形技术。数值模拟是其中的核心技术，目前热锻成形过程模拟主要采用热力耦合有限元模拟软件来实现。工艺试验和物理模拟，通常只能观察到由毛坯成形为锻件时外形的变化过程，也可以测试出模锻成形力，但无法得到变形体内部的微细变化过程及规律、应力、应变、温度等详细信息。而热力耦合有限元数值模拟可得到变形体内部及外形的变化过程及规律、等效应力、等效应变及温度分布场，成形力曲线和模具内壁及模体内的等效应力、等效应变与温度分布场的详细信息，采用微观组织模拟还可得锻件内部金相组织的演变过程及晶粒度的大小。

数值模拟技术的意义在于：验证工程技术人员根据传统塑性理论、模锻工艺知识及经验所制定的热精锻工艺方案的可行性；为模具结构设计及冷却润滑系统的配置和设备吨位合理选择提供科学依据；针对生产过程中出现废次品进行分析，找出改进措施；以模拟得到的结果为基础再进行工艺试验，可缩短锻件开发周期，节约开发费用（图2a）。总的来讲，这是属于验证性的。近年来正朝着主动优化的方向发展，即以获得合格锻件为目标，通过逆向模拟分析实现终锻、预锻和制坯工艺及坯料形状与尺寸的优化（图2b）。

以降低锻模成本为目的的模具再制造技术

湖北三环锻造有限公司针对模锻锤和螺旋压力机上锻模承受高温高压冲击的特点，开发出采用不同牌号的焊条堆焊成四层复合模块，其模膛部分采用与3D打印技术特点相同的“随形”增材制造方法，通过专用机器人及3D打印软件进行堆焊制造，模膛表面仅需光洁加工即可，整个模块自底层至表面硬度逐渐升高（即表层至底层硬度逐层降低呈梯度分布），这样既有利表层耐磨损又保证了中下层耐冲击的特点；当使用一段时间表层出现疲劳裂纹或磨损超差，再将失效层高速铣削后再采用上述方法将表层堆焊和抛光实现修复即再制造。同电火花加工、数控铣及厚层堆焊等传统制造与修复方法比较，大幅节约了昂贵的锻模材料，缩短了制造周期，显著提高使用寿命，降低了锻件的模具成本。

重庆大学周杰教授针对热模锻压力机锻模的特点，将优质结构钢作为底层材料，在上面均匀堆焊一层具有较好耐冲击韧性和一定耐热的模具材料（即第二层），在第二层上再堆焊一层耐磨损和耐热疲劳的高性能模具材料，然后采用上述CAM技术加工出模膛。当使用磨损超差或热疲劳失效后，将第三层材料去掉，再次采用堆焊相同的模具材料并采用同一CAM程序加工出模膛。如此，多次重复可使模具材料及加工费大为降低，达到大幅提高模具使用寿命的目的，使用表明，效果良好。

图2 数字化精锻成形的步骤及过程框图

《锻造行业执行〈中国制造2025〉的几点建议（下）》见2016年第7期