鍛造行業執行《中國制造2025》的幾點建議（上）

文/夏巨諶·華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室

張運軍·湖北三環鍛造有限公司

鍛造行業執行《中國制造2025》的幾點建議（上）

文/夏巨諶·華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室

張運軍·湖北三環鍛造有限公司

本文首先簡要介紹了《中國制造2025》的基本方針及三步走戰略目標，然后提出了如何執行《中國制造2025》的總體思路及技術路線圖，進而提出了以提高技術水平為主的八點建議，在已經開局的“十三五”規劃的開頭之年，可供鍛造行業制訂各自的發展計劃時參考。

《中國制造2025》的基本方針及三步走戰略目標

基本方針

制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。自十八世紀中葉開啟工業文明以來，世界強國的興衰史和中華民族的奮斗史一再證明，沒有強大的制造業，就沒有國家和民族的強盛。打造具有國際競爭力的制造業，是我國提升綜合國力、保障國家安全、建設世界強國的必由之路。

三步走戰略目標

第一步：到2020年，掌握一批重點領域關鍵核心技術，優勢領域競爭力進一步增強，產品質量有較大提高。制造業數字化、網絡化、智能化取得明顯進展。重點行業單位工業增加值能耗、物耗及污染物排放明顯下降。力爭用十年時間，邁入制造強國行列；到2025年，制造業整體素質大幅提升，創新能力顯著增強，全員勞動生產率明顯提高，兩化（工業化和信息化）融合邁上新臺階。第二步：到2035年，我國制造業整體達到世界制造強國陣營中等水平。第三步：新中國成立一百年時，制造業大國地位更加鞏固，綜合實力進入世界制造強國前列。

執行《中國制造2025》的總體思路及主要技術內涵

執行《中國制造2025》的總體思路及主要技術內涵（圖1）為：

圖1 總體思路及技術路線圖

⑴鍛造工藝數字化、信息化及網絡化：鍛件材料的物理性能參數與鍛造工藝參數，通過物理模擬和數值模擬，得到鍛件的尺寸、力學性能及微觀組織等信息，通過互聯網傳輸到鍛造設備或所需網站。

⑵鍛造設備數字化、信息化及網絡化：數控鍛造設備本身已具有設備技術參數及性能指標功能，通過位移、速度、壓力及溫度等傳感器數據采集系統及處理系統得到所需與鍛件質量相關信息，通過與上述信息比較，實現對鍛造設備的優化控制，進而得到優質鍛件。

⑶智能制造：應當包括智能制造技術和智能制造系統，智能制造系統不僅能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學習功能，還有搜集和理解環境信息與自身的信息，并進行分析和判斷自身行為的能力。智能化精密鍛造技術屬于國家重點發展的智能技術之一。

執行《中國制造2025》的八點建議

以節省材料為目的的精鍛成形工藝

精鍛成形工藝簡稱精鍛，它是使鍛件的形狀和尺寸精度盡可能接近乃至完全達到零件的形狀和尺寸精度要求的一種少無切削新工藝，亦稱近凈成形新工藝。一般模鍛件所能達到的尺寸精度為±0.50mm，表面粗糙度也只能達到Ra12.5μm，而精鍛件所能達到的一般精度為±0.25mm，較高精度為±0.10mm，表面粗糙度可達Ra3.2～Ra0.4μm。據粗略計算，每100萬噸鋼材由切削加工改為精密模鍛，可節約鋼材15萬噸以上，自2010年以來，我國鍛件總產量一直穩定在1100萬噸以上，可節約鋼材165萬噸，相應節約鍛造加熱電能7.425億千瓦時。

近10年來，我國冷、溫、熱精鍛成形工藝取得了長足進步，其代表性成果有轎車直錐齒輪冷精鍛、載重車直錐齒輪和轎車等速萬向節溫精鍛、結合齒輪熱精鍛﹢冷精整、餅盤齒輪坯無飛邊閉式精鍛、前軸和轉向節及連接板平面薄飛邊精鍛、鉤尾框復合精鍛等，但發展水平仍然與德國和日本等國相差10年以上，仍應進行大力開發與推廣應用。

以節能減排為目的鍛件輕量化

據分析統計，我國汽車尾氣排放已成為一種主要的空氣污染源，汽車能耗約有60%消耗于自重，車重減輕100kg，百公里油耗可減少0.4L，可減少尾氣排放1kg。

輕質材料的應用是實現汽車輕量化的主要途徑，目前，鋁合金已成為國內外用于汽車零部件制造的首選輕金屬材料。根據資料，美國每輛轎車鋁合金使用量（沖壓件、鍛件）達到36.3%；日本2004年懸掛系統鋁鍛件產量達到了2000年的五倍。據統計，鋁鍛件在世界鍛件總量中由1985年的0.5%上升到2002年的15%。

鋁合金鍛件在國際上是發展趨勢，大多數鍛件用于汽車車橋、底盤構件。例如德日美鍛造或擠壓鋁合金輪轂、傳動軸、懸掛件、控制臂、左右拉桿、轉向節等零件。鍛造鋁合金已開始用于發動機零件（如連桿、活塞等），還有轎車鋁合金門鉸鏈。另外，高速列車為實現輕量化，其車廂骨架及車身覆蓋件，幾乎全部采用鋁合金零件。但是，目前國產轎車鋁合金鍛件使用量較少，每輛轎車僅5kg左右，今后將有越來越多鋁合金鍛件替代鋼質鍛件。

以信息化智能化為目的的數字化精鍛工藝優化技術

數字化精鍛成形技術是將數值模擬技術同傳統的塑性成形理論、精密鍛造工藝、材料、模具、設備及計算機相結合于一體的新的成形技術。數值模擬是其中的核心技術，目前熱鍛成形過程模擬主要采用熱力耦合有限元模擬軟件來實現。工藝試驗和物理模擬，通常只能觀察到由毛坯成形為鍛件時外形的變化過程，也可以測試出模鍛成形力，但無法得到變形體內部的微細變化過程及規律、應力、應變、溫度等詳細信息。而熱力耦合有限元數值模擬可得到變形體內部及外形的變化過程及規律、等效應力、等效應變及溫度分布場，成形力曲線和模具內壁及模體內的等效應力、等效應變與溫度分布場的詳細信息，采用微觀組織模擬還可得鍛件內部金相組織的演變過程及晶粒度的大小。

數值模擬技術的意義在于：驗證工程技術人員根據傳統塑性理論、模鍛工藝知識及經驗所制定的熱精鍛工藝方案的可行性；為模具結構設計及冷卻潤滑系統的配置和設備噸位合理選擇提供科學依據；針對生產過程中出現廢次品進行分析，找出改進措施；以模擬得到的結果為基礎再進行工藝試驗，可縮短鍛件開發周期，節約開發費用（圖2a）。總的來講，這是屬于驗證性的。近年來正朝著主動優化的方向發展，即以獲得合格鍛件為目標，通過逆向模擬分析實現終鍛、預鍛和制坯工藝及坯料形狀與尺寸的優化（圖2b）。

以降低鍛模成本為目的的模具再制造技術

湖北三環鍛造有限公司針對模鍛錘和螺旋壓力機上鍛模承受高溫高壓沖擊的特點，開發出采用不同牌號的焊條堆焊成四層復合模塊，其模膛部分采用與3D打印技術特點相同的“隨形”增材制造方法，通過專用機器人及3D打印軟件進行堆焊制造，模膛表面僅需光潔加工即可，整個模塊自底層至表面硬度逐漸升高（即表層至底層硬度逐層降低呈梯度分布），這樣既有利表層耐磨損又保證了中下層耐沖擊的特點；當使用一段時間表層出現疲勞裂紋或磨損超差，再將失效層高速銑削后再采用上述方法將表層堆焊和拋光實現修復即再制造。同電火花加工、數控銑及厚層堆焊等傳統制造與修復方法比較，大幅節約了昂貴的鍛模材料，縮短了制造周期，顯著提高使用壽命，降低了鍛件的模具成本。

重慶大學周杰教授針對熱模鍛壓力機鍛模的特點，將優質結構鋼作為底層材料，在上面均勻堆焊一層具有較好耐沖擊韌性和一定耐熱的模具材料（即第二層），在第二層上再堆焊一層耐磨損和耐熱疲勞的高性能模具材料，然后采用上述CAM技術加工出模膛。當使用磨損超差或熱疲勞失效后，將第三層材料去掉，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，多次重復可使模具材料及加工費大為降低，達到大幅提高模具使用壽命的目的，使用表明，效果良好。

圖2 數字化精鍛成形的步驟及過程框圖

《鍛造行業執行〈中國制造2025〉的幾點建議（下）》見2016年第7期