文/夏巨諶·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室

張運軍·湖北三環(huán)鍛造有限公司

鍛造行業(yè)執(zhí)行《中國制造2025》的幾點建議（上）

文/夏巨諶·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室

張運軍·湖北三環(huán)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(zhàn)略目標(biāo)，然后提出了如何執(zhí)行《中國制造2025》的總體思路及技術(shù)路線圖，進而提出了以提高技術(shù)水平為主的八點建議，在已經(jīng)開局的“十三五”規(guī)劃的開頭之年，可供鍛造行業(yè)制訂各自的發(fā)展計劃時參考。

《中國制造2025》的基本方針及三步走戰(zhàn)略目標(biāo)

基本方針

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。自十八世紀(jì)中葉開啟工業(yè)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(yè)，就沒有國家和民族的強盛。打造具有國際競爭力的制造業(yè)，是我國提升綜合國力、保障國家安全、建設(shè)世界強國的必由之路。

三步走戰(zhàn)略目標(biāo)

第一步：到2020年，掌握一批重點領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)，優(yōu)勢領(lǐng)域競爭力進一步增強，產(chǎn)品質(zhì)量有較大提高。制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化取得明顯進展。重點行業(yè)單位工業(yè)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(yè)整體素質(zhì)大幅提升，創(chuàng)新能力顯著增強，全員勞動生產(chǎn)率明顯提高，兩化（工業(yè)化和信息化）融合邁上新臺階。第二步：到2035年，我國制造業(yè)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(yè)大國地位更加鞏固，綜合實力進入世界制造強國前列。

執(zhí)行《中國制造2025》的總體思路及主要技術(shù)內(nèi)涵

執(zhí)行《中國制造2025》的總體思路及主要技術(shù)內(nèi)涵（圖1）為：

圖1 總體思路及技術(shù)路線圖

⑴鍛造工藝數(shù)字化、信息化及網(wǎng)絡(luò)化：鍛件材料的物理性能參數(shù)與鍛造工藝參數(shù)，通過物理模擬和數(shù)值模擬，得到鍛件的尺寸、力學(xué)性能及微觀組織等信息，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)藉懺煸O(shè)備或所需網(wǎng)站。

⑵鍛造設(shè)備數(shù)字化、信息化及網(wǎng)絡(luò)化：數(shù)控鍛造設(shè)備本身已具有設(shè)備技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)功能，通過位移、速度、壓力及溫度等傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及處理系統(tǒng)得到所需與鍛件質(zhì)量相關(guān)信息，通過與上述信息比較，實現(xiàn)對鍛造設(shè)備的優(yōu)化控制，進而得到優(yōu)質(zhì)鍛件。

⑶智能制造：應(yīng)當(dāng)包括智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)不僅能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學(xué)習(xí)功能，還有搜集和理解環(huán)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(shù)屬于國家重點發(fā)展的智能技術(shù)之一。

執(zhí)行《中國制造2025》的八點建議

以節(jié)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(jù)粗略計算，每100萬噸鋼材由切削加工改為精密模鍛，可節(jié)約鋼材15萬噸以上，自2010年以來，我國鍛件總產(chǎn)量一直穩(wěn)定在1100萬噸以上，可節(jié)約鋼材165萬噸，相應(yīng)節(jié)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(jié)溫精鍛、結(jié)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(zhuǎn)向節(jié)及連接板平面薄飛邊精鍛、鉤尾框復(fù)合精鍛等，但發(fā)展水平仍然與德國和日本等國相差10年以上，仍應(yīng)進行大力開發(fā)與推廣應(yīng)用。

以節(jié)能減排為目的鍛件輕量化

據(jù)分析統(tǒng)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(zhì)材料的應(yīng)用是實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑，目前，鋁合金已成為國內(nèi)外用于汽車零部件制造的首選輕金屬材料。根據(jù)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(tǒng)鋁鍛件產(chǎn)量達到了2000年的五倍。據(jù)統(tǒng)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(fā)展趨勢，大多數(shù)鍛件用于汽車車橋、底盤構(gòu)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(zhuǎn)向節(jié)等零件。鍛造鋁合金已開始用于發(fā)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(xiàn)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(chǎn)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(zhì)鍛件。

以信息化智能化為目的的數(shù)字化精鍛工藝優(yōu)化技術(shù)

數(shù)字化精鍛成形技術(shù)是將數(shù)值模擬技術(shù)同傳統(tǒng)的塑性成形理論、精密鍛造工藝、材料、模具、設(shè)備及計算機相結(jié)合于一體的新的成形技術(shù)。數(shù)值模擬是其中的核心技術(shù)，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(xiàn)。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(nèi)部的微細變化過程及規(guī)律、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等詳細信息。而熱力耦合有限元數(shù)值模擬可得到變形體內(nèi)部及外形的變化過程及規(guī)律、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變及溫度分布場，成形力曲線和模具內(nèi)壁及模體內(nèi)的等效應(yīng)力、等效應(yīng)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(nèi)部金相組織的演變過程及晶粒度的大小。

數(shù)值模擬技術(shù)的意義在于：驗證工程技術(shù)人員根據(jù)傳統(tǒng)塑性理論、模鍛工藝知識及經(jīng)驗所制定的熱精鍛工藝方案的可行性；為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計及冷卻潤滑系統(tǒng)的配置和設(shè)備噸位合理選擇提供科學(xué)依據(jù)；針對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)廢次品進行分析，找出改進措施；以模擬得到的結(jié)果為基礎(chǔ)再進行工藝試驗，可縮短鍛件開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)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(yōu)化的方向發(fā)展，即以獲得合格鍛件為目標(biāo)，通過逆向模擬分析實現(xiàn)終鍛、預(yù)鍛和制坯工藝及坯料形狀與尺寸的優(yōu)化（圖2b）。

以降低鍛模成本為目的的模具再制造技術(shù)

湖北三環(huán)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(fā)出采用不同牌號的焊條堆焊成四層復(fù)合模塊，其模膛部分采用與3D打印技術(shù)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(dāng)使用一段時間表層出現(xiàn)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(xiàn)修復(fù)即再制造。同電火花加工、數(shù)控銑及厚層堆焊等傳統(tǒng)制造與修復(fù)方法比較，大幅節(jié)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(xué)周杰教授針對熱模鍛壓力機鍛模的特點，將優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)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(shù)加工出模膛。當(dāng)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(fù)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(shù)字化精鍛成形的步驟及過程框圖

《鍛造行業(yè)執(zhí)行〈中國制造2025〉的幾點建議（下）》見2016年第7期