文/黃少東·重慶西南技術(shù)工程研究所

談美國(guó)鍛造工業(yè)技術(shù)路線圖

文/黃少東·重慶西南技術(shù)工程研究所

早在1996年末，美國(guó)就提出了2020年鍛造工業(yè)愿景，其戰(zhàn)略目標(biāo)是：到2020年，鍛造將是關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)合所需整體、優(yōu)質(zhì)、高性能金屬構(gòu)件的低成本、優(yōu)選制造方法。具體有以下幾個(gè)方面：

⑴在工模具方面，其壽命至少比目前水平增加10倍，要減少每件的工模具成本至少達(dá)50％，要從下訂單后24h內(nèi)制造出工模具。

⑵能源消耗，減少整個(gè)鍛造工藝能源消耗20％，每個(gè)鍛件能源成本減少75％。

⑶材料利用，原材料消耗至少減少15％，減少切削加工余量90％。

⑷生產(chǎn)率，提高每位從業(yè)人員生產(chǎn)率50％，每個(gè)鍛件人力成本減少60％，鍛造設(shè)備平均正常運(yùn)行時(shí)間率達(dá)到90％。

⑸質(zhì)量，減少?gòu)U品或返修件至每百萬(wàn)件中不足25件，過(guò)程控制水平達(dá)到±8σ。

⑹環(huán)保，不產(chǎn)生有害氣體燃燒物，在鍛造廠里完全消除煙霧排放，實(shí)現(xiàn)鍛造過(guò)程中所有液體循環(huán)使用。

由以上內(nèi)容可見(jiàn)，美國(guó)對(duì)2020年鍛造工業(yè)愿景提出了很高的目標(biāo)。

有了鍛造工業(yè)愿景，下一步是分析、理清達(dá)到愿景目標(biāo)的技術(shù)，美國(guó)鍛造行業(yè)為此提出要編制鍛造工業(yè)技術(shù)路線圖，將其作為所需研究與技術(shù)里程碑的藍(lán)圖，連接戰(zhàn)略目標(biāo)與實(shí)際研究?jī)?nèi)容的戰(zhàn)術(shù)方案，研究由工業(yè)企業(yè)與研發(fā)機(jī)構(gòu)合作進(jìn)行。

為此，美國(guó)鍛造行業(yè)于1997年8月26～27日在芝加哥伊利諾斯組織召開了鍛造工業(yè)技術(shù)路線圖研討會(huì)，該研討會(huì)由鍛造工業(yè)教育及研究基金會(huì)共同倡導(dǎo)，并與美國(guó)能源部工業(yè)技術(shù)辦公室合作。研討的與會(huì)專家共44人，分別來(lái)自鍛造企業(yè)及供應(yīng)商、學(xué)術(shù)界和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，他們就主要目標(biāo)、技術(shù)壁壘、關(guān)鍵研究需求達(dá)成了共識(shí)，編制了鍛造工業(yè)技術(shù)路線圖，并在2003、2008年進(jìn)行了修訂。

2008年修訂版概括了美國(guó)鍛造工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，以保證將來(lái)鍛造企業(yè)不僅生存，還要增長(zhǎng)與發(fā)展，具體路線圖見(jiàn)圖1。

首先，路線圖明確了未來(lái)愿景，該愿景與1997年版、2003年版相同：將來(lái)鍛造工業(yè)是以用戶為中心的高效、低成本供應(yīng)高質(zhì)量構(gòu)件的世界領(lǐng)先者。

面臨的外部變化

在追求上述愿景中，鍛造工業(yè)面臨著一系列外部推動(dòng)力的作用，它們既制造了障礙，也提供了機(jī)遇。包括：

⑴波動(dòng)的經(jīng)濟(jì)與市場(chǎng)環(huán)境。鍛造工業(yè)對(duì)很不穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)與市場(chǎng)環(huán)境敏感，例如能源成本、匯率、金融脆弱的制造業(yè)（汽車、航空等）需求、金屬材料供應(yīng)，為了應(yīng)對(duì)不可預(yù)測(cè)的變化，鍛造企業(yè)不得不更敏捷、更有彈性與柔性，適應(yīng)性更強(qiáng)。

⑵加速的技術(shù)變化。鍛造是依賴于技術(shù)的行業(yè)，極大地受科技突破與創(chuàng)新的影響。新的技術(shù)進(jìn)展能夠帶來(lái)新的威脅，也會(huì)帶來(lái)新的機(jī)遇，使得未來(lái)更不好預(yù)測(cè)。這就增加了研發(fā)投資所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，落后就始終是威脅。鍛造企業(yè)不得不創(chuàng)新，用有限的資金使技術(shù)最新。

⑶強(qiáng)化的全球競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于鍛造工業(yè)，全球競(jìng)爭(zhēng)不僅意味著有其他國(guó)家鍛造企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，也有來(lái)自用其他方法替代鍛造制造構(gòu)件的企業(yè)與行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，還有來(lái)自用其他材料制造構(gòu)件的企業(yè)與行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)。

⑷日益增加的用戶需求。日益增加的用戶需求推動(dòng)了企業(yè)持續(xù)改進(jìn)與創(chuàng)新，其要求鍛造工業(yè)生產(chǎn)的鍛件要保持高強(qiáng)度、可靠、耐久、（低成本）買得起的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)要提供新的優(yōu)勢(shì)。

圖1 鍛造工業(yè)技術(shù)路線圖（2008年修訂）

行業(yè)挑戰(zhàn)

2008年修訂版指出了美國(guó)鍛造行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)：

⑴在市場(chǎng)方面。日益增加的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，熟練工人差距（相對(duì)于日本、德國(guó)），世界范圍內(nèi)技術(shù)在提升，美國(guó)技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位的喪失（設(shè)備、自動(dòng)化及維修），對(duì)用戶反應(yīng)遲鈍，市場(chǎng)反應(yīng)減慢，潛能降低，日益增加的來(lái)自其他產(chǎn)品形式的競(jìng)爭(zhēng)（如鑄造件，用板材等機(jī)加的工件），其強(qiáng)度接近鍛件，依賴于航空工業(yè)不夠健康，由于市場(chǎng)泡沫（風(fēng)能、乙醇）造成的市場(chǎng)不穩(wěn)定及難以預(yù)測(cè)，與用戶的聯(lián)系減少，來(lái)自其他材料的競(jìng)爭(zhēng)增加。

⑵勞動(dòng)力。缺乏愿在制造業(yè)工作的人員，日益缺少有經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)熟練人員，例如有經(jīng)驗(yàn)的工程師、工藝、冶金人才和工模具設(shè)計(jì)人員，相對(duì)于教育、培訓(xùn)，技術(shù)發(fā)展更快，缺乏使技術(shù)工人升級(jí)及維持所需的充足技術(shù)培訓(xùn)項(xiàng)目、資料，教育系統(tǒng)缺乏熟練技藝的訓(xùn)練，缺乏支撐技能及具有技術(shù)背景的良好的一線管理人員，需培訓(xùn)減少工傷，勞動(dòng)力成本增加導(dǎo)致整個(gè)制造成本增加，健康管理成本上升。

⑶技術(shù)。改進(jìn)加熱系統(tǒng)能源利用效率，通過(guò)改進(jìn)材料利用、加熱及模具壽命減少成本，模具磨損，獲得材料熱物性數(shù)據(jù)，發(fā)展工藝用智能傳感器，需改進(jìn)傳感器技術(shù)，保證鍛造者有適當(dāng)?shù)脑O(shè)備滿足未來(lái)需求，鍛造系統(tǒng)設(shè)計(jì)有安全系統(tǒng)，溫度測(cè)量，縮短預(yù)熱時(shí)間，在低重量下有更高的強(qiáng)度，進(jìn)行磁場(chǎng)加工以改變相圖，在全球競(jìng)爭(zhēng)下推動(dòng)創(chuàng)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鋼材，一些材料得到有限，依賴鋼而缺乏較便宜的替代材料，不同合金（非鋼）的需求增長(zhǎng)，顯著缺乏材料研究，在材料應(yīng)用中工藝效能低，浪費(fèi)太大。

⑸能源。能源成本上升，在利用能源時(shí)，工藝、生產(chǎn)效能低，缺乏有效的能源應(yīng)用，如最優(yōu)鍛造溫度以減少加熱成本。

⑹政府。美國(guó)政府對(duì)制造業(yè)的需求、重要性和價(jià)值重視不夠，政府對(duì)工業(yè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)支持不夠。需控制智力資源，過(guò)多的美國(guó)技術(shù)流向亞洲。政府立法、政策、規(guī)則、貿(mào)易協(xié)定等對(duì)鍛造工業(yè)有不利影響。

⑺環(huán)境。目前的鍛造工藝中需創(chuàng)造綠色工作環(huán)境，減少不利的環(huán)境影響。需通過(guò)政府、環(huán)境組織、一般公眾降低容限，加強(qiáng)檢查。在目前的鍛造工藝中減少不利的環(huán)境影響會(huì)增加成本負(fù)擔(dān)。

優(yōu)先任務(wù)

為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，路線圖提出了以下優(yōu)先任務(wù)（行動(dòng)）：

⑴改進(jìn)市場(chǎng)定位。鍛造工業(yè)如何很好地進(jìn)行市場(chǎng)定位會(huì)影響其適應(yīng)變化的市場(chǎng)環(huán)境與投資新市場(chǎng)的能力，更重要的是，市場(chǎng)定位能拓展鍛件需求的深度與廣度。改進(jìn)市場(chǎng)定位的優(yōu)先行動(dòng)有：尋求與用戶更密切的聯(lián)系，包括更好地了解變化的用戶需求，主動(dòng)了解、修正用戶的感受，了解鍛件在用戶業(yè)務(wù)中的利益與地位，不斷開展用戶培訓(xùn)以改進(jìn)鍛件設(shè)計(jì)與采購(gòu)。發(fā)展工業(yè)能力以尋求核發(fā)電廠建設(shè)市場(chǎng)。了解其他國(guó)家的技術(shù)路線圖，尋求與其他國(guó)家鍛造企業(yè)的聯(lián)系，尋求最大可能合作與互相學(xué)習(xí)并使直接競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)可能最小的方式。開發(fā)商業(yè)工具（如追蹤及預(yù)測(cè)工業(yè)經(jīng)營(yíng)周期的方法），以幫助單個(gè)企業(yè)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的不穩(wěn)定，開發(fā)替代供應(yīng)鏈?zhǔn)构I(yè)經(jīng)營(yíng)周期保持平衡，重新定位鍛件作為整個(gè)產(chǎn)品成本的一部分，不是一個(gè)商品。

⑵發(fā)展現(xiàn)有及未來(lái)人力資源。發(fā)展現(xiàn)有及未來(lái)人力資源是近、長(zhǎng)期對(duì)工業(yè)的投資，其直接涉及工業(yè)保持競(jìng)爭(zhēng)能力及使技術(shù)為現(xiàn)行先進(jìn)技術(shù)，保證具有滿足將來(lái)用戶需求的能力，也保證鍛造工業(yè)能夠保持質(zhì)量與生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，滿足變化的需求，為發(fā)展使鍛造工業(yè)能拓展市場(chǎng)（通過(guò)給用戶需求提供更寬的服務(wù)）的新的和更穩(wěn)健的能力打下基礎(chǔ)，并決定了鍛造工業(yè)中的技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新的質(zhì)量。優(yōu)先行動(dòng)有：發(fā)展項(xiàng)目與資源以重新培訓(xùn)雇員使用新的技術(shù)，支撐改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)的制造工藝，如3D建模培訓(xùn)，工模具失效方面的培訓(xùn)以降低成本。尋求更好留住有才能的人員的方式，拓展人力資源，尋求人機(jī)工程安全解決方案以改善工作條件，使工人能長(zhǎng)期從事該行業(yè)，重新招收外國(guó)工程師以滿足技術(shù)人力資源需求；尋求與教育機(jī)構(gòu)的合作關(guān)系，持續(xù)努力在學(xué)校中吸收有才之士到鍛造行業(yè)中來(lái)，與大學(xué)合作設(shè)立實(shí)習(xí)與學(xué)徒式項(xiàng)目，與高中、技術(shù)學(xué)院、地方社區(qū)真正建立聯(lián)系，鼓勵(lì)高中教基本的業(yè)務(wù)技能（如金屬車間），向年輕人介紹鍛造行業(yè)的職業(yè)機(jī)會(huì)，提供獎(jiǎng)學(xué)金等。

⑶爭(zhēng)取公共政策支持。鍛造行業(yè)的公共政策推進(jìn)會(huì)影響公共政策支持或阻礙行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)性與經(jīng)營(yíng)自由的程度，特別是影響調(diào)節(jié)控制水平和與鍛造企業(yè)有矛盾的行政官僚程度，也影響政府支持程度及鍛造行業(yè)研發(fā)資金。優(yōu)先行動(dòng)有：發(fā)展集中的政府策略，建立影響，進(jìn)行有目的的游說(shuō)，尋求政府對(duì)節(jié)能投資的支持；應(yīng)用大眾關(guān)系活動(dòng)，改善鍛造行業(yè)的公眾形象，如發(fā)行出版物介紹鍛造的優(yōu)勢(shì)，提高公眾對(duì)鍛造的認(rèn)識(shí)，認(rèn)識(shí)鍛造在所有種類能源生產(chǎn)中的地位，認(rèn)識(shí)鍛件在經(jīng)濟(jì)中占所有產(chǎn)品的20％等。

⑷建立工業(yè)指南與最優(yōu)做法。該行動(dòng)會(huì)增強(qiáng)鍛造工業(yè)的整體工作水平，相應(yīng)會(huì)提高其質(zhì)量、效率、聲譽(yù)，也會(huì)為改進(jìn)與供應(yīng)商與用戶的交流、合作、信任打下基礎(chǔ)，該行動(dòng)對(duì)發(fā)展穩(wěn)健及世界一流的維持全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的能力也是必要的。優(yōu)先行動(dòng)有：在全世界范圍內(nèi)對(duì)所選事項(xiàng)或作業(yè)（如自動(dòng)化）進(jìn)行數(shù)據(jù)收集以建立最優(yōu)做法數(shù)據(jù)庫(kù)，要對(duì)標(biāo)世界先進(jìn)企業(yè)，尋求企業(yè)管理與技術(shù)創(chuàng)新的最優(yōu)做法，向其他國(guó)家的設(shè)備、自動(dòng)化做法學(xué)習(xí)，通過(guò)應(yīng)用與分享最優(yōu)做法找到熱鍛、溫鍛、冷鍛的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)展計(jì)算最少加熱時(shí)間（最低成本）的方法，確定最優(yōu)鍛造溫度規(guī)范，以保證最優(yōu)能源使用，確定鍛造標(biāo)準(zhǔn)（如ISO標(biāo)準(zhǔn)，將協(xié)議用于產(chǎn)品數(shù)據(jù)），保證設(shè)備制造商意識(shí)到并滿足鍛造工業(yè)需求、標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行安全調(diào)查，確定最優(yōu)做法，更好地理解分析整個(gè)生產(chǎn)成本，并建立成本標(biāo)桿，就鍛造作業(yè)與輸出進(jìn)行交流，建立通用指南，如低成本材料指南。

⑸加強(qiáng)材料選擇與使用。材料是鍛造的一個(gè)重要成本因素，其與鍛造工業(yè)下游盈利能力有直接的聯(lián)系。同時(shí)，材料也是決定鍛件性能與功能的重要因素。因此，材料選擇與使用會(huì)影響行業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新的潛力與向用戶提供新利益及尋求新市場(chǎng)的能力。優(yōu)先行動(dòng)有：發(fā)展新的方法，使鍛造工藝中的材料損失最?。辉谀ｅ懼袦p少材料損失（如飛邊），與用戶合作尋求替代材料，減少合金材料以減少成本；與美國(guó)鋼鐵研究學(xué)會(huì)合作，確定材料的真實(shí)最大強(qiáng)度，以優(yōu)化使用貴重合金元素；在供應(yīng)鏈中減少材料損失，使鋼廠與鍛造工藝結(jié)合，發(fā)展高合金替代材料以降低成本，發(fā)展高強(qiáng)度低質(zhì)量材料，發(fā)展不需鍛后熱處理的材料。

⑹減少能源成本，提高效能。能源是鍛造中另一個(gè)重要成本因素，尤其加熱時(shí)，低效應(yīng)用能源會(huì)對(duì)鍛造工業(yè)下游盈利能力有不利影響，也會(huì)使鍛造工業(yè)相對(duì)不穩(wěn)定的能源價(jià)格更加脆弱，高效地利用能源將有助于減少鍛造工業(yè)對(duì)環(huán)境的不利影響。優(yōu)先行動(dòng)有：尋求減少鍛造能源利用中的成本及提高效能的方法，包括發(fā)展低成本、高熱效率、環(huán)境友好的加熱源，用替代能源降低成本，與能源供應(yīng)商合作實(shí)現(xiàn)高效加熱，鼓勵(lì)新技術(shù)投資，發(fā)展高效加熱系統(tǒng)、加熱爐，發(fā)展回收與利用低品位與高品位廢熱的技術(shù)，使行業(yè)與政府資金用于減少能源成本加熱系統(tǒng)的研發(fā)；進(jìn)行能源審計(jì)，保持更好的控制，改善鍛造能源管理，

⑺提升鍛造技術(shù)水平。該行動(dòng)一方面是鍛造工業(yè)通向未來(lái)路徑的重要部分，另一方面，它是尋求連續(xù)改進(jìn)質(zhì)量與生產(chǎn)率以達(dá)到減少成本目標(biāo)，并形成新的能力，滿足用戶新需求的路徑。優(yōu)先行動(dòng)有：減少設(shè)計(jì)至形成最終鍛造產(chǎn)品的時(shí)間，尋求鍛造工業(yè)更大自動(dòng)化，通過(guò)工藝傳感器改進(jìn)自動(dòng)化，改進(jìn)機(jī)器人技術(shù)；尋求工模具、設(shè)備、工藝創(chuàng)新，使設(shè)備供應(yīng)商提供新技術(shù)，改進(jìn)燃燒器設(shè)計(jì)以降低CO/CO2/NOx排放，改進(jìn)診斷技術(shù)以減少維修，通過(guò)發(fā)展新工模具材料，進(jìn)行工藝模擬，開發(fā)應(yīng)用新的涂層（如納米涂層），發(fā)展新潤(rùn)滑劑以提高模具材料壽命，尋求減少碳排放的方法，通過(guò)自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)改善環(huán)境，提高開發(fā)近凈成形產(chǎn)品能力以減少材料與能源成本等。

為了實(shí)施鍛造工業(yè)技術(shù)路線圖，美國(guó)于2000～2007年間安排了多項(xiàng)研究項(xiàng)目，如各種級(jí)別鋼適宜鍛造溫度研究，應(yīng)用先進(jìn)模具材料與潤(rùn)滑系統(tǒng)減少溫、熱鍛模具磨損，將快速紅外加熱用于鋁合金鍛件熱加工，坯料感應(yīng)加熱溫度規(guī)范的穩(wěn)健設(shè)計(jì)，鍛件設(shè)計(jì)與工藝模擬的最優(yōu)做法，開式模鍛內(nèi)部缺陷的特征，V與V+Nb鍛件用鋼材機(jī)械性能比較，發(fā)展下一代加熱系統(tǒng)用于鋼的無(wú)氧化再加熱，借助火焰圖像對(duì)天然氣鍛造加熱爐進(jìn)行診斷與控制，鍛造對(duì)鎂合金拉伸強(qiáng)度與組織的影響，原始組織對(duì)球化處理（以增強(qiáng)冷鍛能力）的影響，應(yīng)用焊接預(yù)成形生產(chǎn)新型鍛件的試驗(yàn)研究，鍛鋼與可鍛鑄鐵曲軸的疲勞性能比較與性能預(yù)測(cè)，流動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，通過(guò)壓力信號(hào)特征提取對(duì)鍛造工藝進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，基于傳感器的熱變形工藝預(yù)測(cè)與控制，閉環(huán)控制的鍛件表面與尺寸智能檢測(cè)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)加載下曲軸的應(yīng)力分析與優(yōu)化，熱鍛模具鋼的回火行為研究，用納米試驗(yàn)儀器評(píng)價(jià)熱鍛模具鋼的表面機(jī)械性能等。

戰(zhàn)略措施

路線圖給出了實(shí)施鍛造工業(yè)技術(shù)路線圖的四項(xiàng)戰(zhàn)略措施：

⑴卓越經(jīng)營(yíng)。通過(guò)提高生產(chǎn)率，降低成本，減少損失，減少對(duì)環(huán)境的影響，將卓越經(jīng)營(yíng)推向更高水平，其是變得更強(qiáng)、更有競(jìng)爭(zhēng)力的基礎(chǔ)。

⑵發(fā)展能力。通過(guò)發(fā)展人力資源、最優(yōu)做法、發(fā)展技術(shù)、追求新市場(chǎng)在行業(yè)與企業(yè)兩個(gè)層面上發(fā)展能力，這是變得更強(qiáng)、更有競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵步驟，其反映了行業(yè)適應(yīng)與追求新市場(chǎng)的能力，難以模仿的新能力使行業(yè)具有持續(xù)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

⑶伙伴合作。實(shí)現(xiàn)愿景需要政府、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、用戶和供應(yīng)商甚至競(jìng)爭(zhēng)者的有機(jī)合作，其是變得更強(qiáng)、更有競(jìng)爭(zhēng)力的另一個(gè)關(guān)鍵步驟。

⑷產(chǎn)品與市場(chǎng)創(chuàng)新。該措施說(shuō)明鍛造行業(yè)要更加有意識(shí)地、系統(tǒng)地以用戶為中心，其是變得更強(qiáng)、更有競(jìng)爭(zhēng)力的頂點(diǎn)。這說(shuō)明價(jià)值是由用戶創(chuàng)造，用戶的愿望始終是變化的主題，要了解并滿足用戶需求，鍛造行業(yè)必須能對(duì)其產(chǎn)品及與用戶的關(guān)系再創(chuàng)新。

結(jié)束語(yǔ)

從美國(guó)鍛造工業(yè)技術(shù)路線圖可見(jiàn)，美國(guó)鍛造工業(yè)技術(shù)發(fā)展更注意從市場(chǎng)、人力資源、公共政策、材料、能源、技術(shù)等多方面綜合努力，對(duì)我們有很大的參考價(jià)值。今年是“十二五”承上啟下的重要一年，鍛造行業(yè)全體從業(yè)人員要共同努力，扎實(shí)工作，努力貫徹鍛壓行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃，爭(zhēng)取在盡可能短的時(shí)間內(nèi)趕上并超過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)水平。