低碳經(jīng)濟(jì)下的熱模鍛造

文／吳玉堅(jiān)·東風(fēng)鍛造有限公司

低碳經(jīng)濟(jì)下的熱模鍛造

文／吳玉堅(jiān)·東風(fēng)鍛造有限公司

吳玉堅(jiān)，副總經(jīng)理，研究員級高工，全國鍛壓標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會副主任，主要從事汽車零部件熱模鍛造技術(shù)的研究工作，獲湖北省科技進(jìn)步獎、發(fā)明獎各1項(xiàng)，中國汽車工業(yè)科技進(jìn)步獎3項(xiàng)，擁有發(fā)明專利和實(shí)用新型專利各1項(xiàng)。

近十年我國汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，汽車的產(chǎn)銷量已躍居全球之首，帶動著整個(gè)汽車鍛件市場發(fā)展到了一個(gè)新高度，汽車模鍛件總產(chǎn)量達(dá)到了480萬噸以上。伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的資源消耗也已名列世界第一，能源單耗是美國的4.3倍、德國和法國的7.7倍、日本的11.5倍。在全球碳排放量排名中，我國已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他國家。

熱模鍛造的現(xiàn)狀

與冷、溫鍛造相比，熱模鍛造在尺寸精密程度、表面光潔度等方面沒有優(yōu)勢，而且相對前兩者還增加了坯料的加熱能耗，但熱模鍛造良好的熱態(tài)成形塑性使其產(chǎn)品范圍寬廣，尺寸大、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品只能采用熱模鍛造成形，汽車模鍛件中熱模鍛造產(chǎn)品的占比在90%以上。

在熱模鍛造生產(chǎn)中，零件因形狀以及成形難易程度不同，其材料利用率會有較大的差異，不過大部分產(chǎn)品的材料利用率都在65%～85%之間。近幾年，汽車模鍛件所消耗的原材料近千萬噸，原材料煉鐵、煉鋼和軋制的年綜合耗能總量在幾百萬噸標(biāo)煤以上，產(chǎn)生了幾十億標(biāo)準(zhǔn)立方米的煙氣、灰塵以及二惡英、呋喃等有毒物質(zhì)。因此，節(jié)材就是最大的節(jié)能、減排。

東風(fēng)鍛造的低碳之道

東風(fēng)鍛造有限公司(以下簡稱“東風(fēng)鍛造”）始建于1969年，以熱模鍛造為主要生產(chǎn)工藝，擁有從18～125MN的全系列熱模鍛壓力機(jī)，具備年產(chǎn)15萬噸熱模鍛件的生產(chǎn)能力，原材料、動能消耗約占總成本的60%和10%。作為直接承擔(dān)節(jié)能減排任務(wù)最前沿的具體實(shí)踐者，東風(fēng)鍛造始終把節(jié)材、節(jié)能、減排工作放在首位，并與提升企業(yè)競爭力緊密結(jié)合。東風(fēng)鍛造在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，按照熱模鍛造綠色、可持續(xù)發(fā)展的路徑圖，展開低碳生產(chǎn)的具體實(shí)踐，積極履行企業(yè)的市場責(zé)任、環(huán)境責(zé)任、社會責(zé)任，為相關(guān)利益方持續(xù)創(chuàng)造價(jià)值。

選擇“綠色”材料

材料是鍛造的一個(gè)重要成本因素，也是決定鍛件性能與功能的重要因素。材料的選擇要從全價(jià)值鏈上成本最低、全過程中能耗最少、排放最低等方面考慮，如連鑄連軋鋼、非調(diào)質(zhì)鋼等都是東風(fēng)鍛造優(yōu)先選擇的“綠色”材料。

連鑄連軋鋼比模鑄鋼成材率高百分之十幾，能耗也相應(yīng)節(jié)省10%～15%，連鑄連軋鋼省去了中間再次加熱軋制材料的能耗，有明顯的成本優(yōu)勢。東風(fēng)鍛造90%以上的產(chǎn)品采用連鑄連軋鋼，其余在上量的產(chǎn)品也正逐步由模鑄鋼換為連鑄連軋鋼。

非調(diào)質(zhì)鋼是采用微合金化冶煉方法，在中碳鋼或中碳錳鋼中加入一定的微量元素(如V、N、Nb、Ti等，它們起析出強(qiáng)化和細(xì)化晶粒的作用），通過控制其熱加工及軋后冷卻工藝使其強(qiáng)度、硬度和韌性提高來達(dá)到調(diào)質(zhì)鋼的性能水平的。采用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)的零件在鍛造成形后于控冷狀態(tài)下達(dá)到調(diào)質(zhì)處理的力學(xué)性能、疲勞壽命水平，不經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理便可直接在工程中使用，以替代部分中碳、中碳低合金調(diào)質(zhì)鋼零件。采用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)的鍛件省去了調(diào)質(zhì)工序的再加熱淬火和高溫回火的全部能耗，每千克鍛件可節(jié)電0.7kW·h左右，同時(shí)由于工序減少，鍛件的生產(chǎn)制造周期也得以縮短，更重要的是非調(diào)質(zhì)鋼還具有優(yōu)越的加工性能，可提高產(chǎn)品的制造效率，目前在歐美發(fā)達(dá)國家非調(diào)質(zhì)鋼已廣泛推廣應(yīng)用。國內(nèi)東風(fēng)鍛造最早與鋼廠聯(lián)合開發(fā)并使用非調(diào)質(zhì)鋼，目前其采用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)的鍛件占到全部鍛件的45%，常用的非調(diào)質(zhì)鋼牌號有48MnV、30MnVS、38MnSiV5、49MnVS3、C38N2、C70MoD、S45CVS等。

減少料頭、料尾的消耗

東風(fēng)鍛造在減少料頭、料尾的消耗方面所采取的主要措施如下：料頭方面，與裝備水平和技術(shù)實(shí)力高的鋼廠合作，獲得高品質(zhì)的原材料，原材料端面平整、無毛刺，下料時(shí)不需切頭，減少了料頭損失；料尾方面，通過倍尺供貨來減少剩余料長，當(dāng)同一規(guī)格的材料用于生產(chǎn)多個(gè)品種的產(chǎn)品時(shí)，采用套裁下料的方式來縮短料尾。長徑比大的坯料(如曲軸等產(chǎn)品的坯料），倍尺采購與非倍尺采購的原材料消耗差異超過10%，而如果再加上節(jié)省的這部分料頭、料尾的運(yùn)輸成本以及料頭、料尾變成廢料的價(jià)差，倍尺采購每年能讓企業(yè)減少數(shù)百萬元的損失。

減小飛邊

熱模鍛造主要依靠飛邊橋部形成阻力迫使金屬充滿型腔，多余金屬流到倉部形成飛邊，過多的金屬不僅增加材料消耗和加熱能耗，而且還會縮短模具的使用壽命。東風(fēng)鍛造一直致力于減小飛邊的工藝改善，主要通過改變預(yù)成形模以及增加制坯模等技術(shù)方案合理預(yù)分配金屬，促使金屬更易充滿終鍛模型腔。如長桿類鍛件主要應(yīng)用引進(jìn)的輥鍛模設(shè)計(jì)軟件提高輥鍛模的設(shè)計(jì)精度，實(shí)現(xiàn)飛邊尺寸的減小。同時(shí)開發(fā)并不斷完善半閉式模鍛成形技術(shù)，從最初應(yīng)用于十字軸鍛件的成形到變速箱的一軸、二軸等桿類鍛件的成形，最終成功應(yīng)用于曲軸等復(fù)雜鍛件的成形(圖1），減小了飛邊，材料利用率提升了3%～5%。

圖1 曲軸的半閉式模鍛成形

閉式鍛造

通過多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，東風(fēng)鍛造創(chuàng)造性地開發(fā)出了在熱模鍛壓力機(jī)上的閉式鍛造工藝，實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)體等盤類零件在熱模鍛壓力機(jī)上的閉式鍛造，并開始大批量生產(chǎn)PV齒輪鍛件，近幾年已成功推廣應(yīng)用到CV齒輪鍛件(圖2），鍛件材料利用率提高了10%～15%，大幅降低了原材料的消耗以及相應(yīng)的加熱能耗，該創(chuàng)新成果獲得了汽車行業(yè)科技進(jìn)步獎。

圖2 CV齒輪鍛件的閉式鍛造

減小鍛件加工余量和工藝余塊

采用上述的減少料頭、料尾的消耗，減小飛邊以及閉式鍛造等多種方法可以使鍛件的材料利用率提高到90%以上，但從產(chǎn)品的角度看，產(chǎn)品的材料利用率卻仍只有55%～65%，大量的金屬變成了鐵屑，并增加了切削加工能耗和刀具消耗。如某品牌轎車變速箱軸、齒鍛件的平均材料利用率為84%，而產(chǎn)品的平均材料利用率僅為52%，因此，減小鍛件加工余量和工藝余塊對熱模鍛造來說有著更大的節(jié)材、節(jié)能空間。

通過先進(jìn)的模具制造技術(shù)、坯料少無氧化加熱技術(shù)以及頂料機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，東風(fēng)鍛造全力推進(jìn)熱精密鍛造技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用。將鍛件的加工余量從1.5mm減小到0.8mm，再到0.5mm，模鍛斜度也從7°減小到3°，再到1.5°。部分鍛件甚至取消了加工余量，將原來的加工面變成非加工面，如圖3所示，曲軸的平衡塊側(cè)面由加工面改為非加工面，加工余量和模鍛斜度的減小節(jié)省了大量的金屬，產(chǎn)品的材料利用率提高了約13%。

以前對于如圖4所示鍛件上的20～30mm的深孔均做盲孔處理，留給機(jī)加工鉆孔解決，而現(xiàn)在通過技術(shù)創(chuàng)新采用擠孔工藝替代沖孔工藝來實(shí)現(xiàn)此孔的成形，突破了熱模鍛造成形的孔徑參數(shù)極限，在節(jié)省材料的同時(shí)也減去了鉆孔工序的加工消耗。

圖3 曲軸平衡塊側(cè)面的改進(jìn)

減小加工余量和工藝余塊不僅可以節(jié)省材料，而且可以提高機(jī)加工的效率、降低刀具的消耗，創(chuàng)造更多的價(jià)值。現(xiàn)在隨著加工余量和工藝余塊的減小，東風(fēng)鍛造正不斷朝近凈成形、少無切削方向發(fā)展。

不過在這里有一個(gè)問題需要注意，鍛件隨著精密程度的提高對磕碰的敏感度也大幅提高，任何磕碰都更容易使精密鍛件無法達(dá)到加工余量的要求而報(bào)廢，從而使所取得的節(jié)材、節(jié)能成果全部湮沒。磕碰問題不能盡快解決，熱精密鍛造就將會停滯不前，現(xiàn)在全生產(chǎn)過程中的防磕碰工作已作為東風(fēng)鍛造的一項(xiàng)重要工作進(jìn)行全員全力攻關(guān)。

圖4 小孔鍛件

利用鍛后余熱

鍛造余熱淬火是指鋼坯在穩(wěn)定的奧氏體區(qū)鍛造成形后，當(dāng)其溫度高于Ar3時(shí)(對亞共析鋼而言），利用鍛件的余熱在介質(zhì)中淬火并在合適的溫度下回火，以此代替調(diào)質(zhì)處理，它是鍛造和熱處理相結(jié)合的一種綜合工藝。鍛造余熱淬火較大地提高了材料的淬透性，有較好的回火穩(wěn)定性，增加了熱處理工藝的調(diào)整余地，是一種成熟的工藝，易于在大批量熱模鍛造生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)，省去了鍛件重新加熱淬火的工序，每千克鍛件可節(jié)電0.4kW·h左右。與普通淬火后的鍛件相比，鍛造余熱淬火后的鍛件晶粒粗大，易于切削加工。對于晶粒度有要求的鍛件，可先將其冷卻到600℃左右再加熱、均溫后淬火，以此獲得與正常調(diào)質(zhì)處理后的鍛件一致的晶粒度，而這種方式可以節(jié)省從室溫到600℃的加熱能耗。

東風(fēng)鍛造在廣泛應(yīng)用鍛造余熱淬火的同時(shí)，還推廣應(yīng)用鍛造余熱退火、鍛造余熱等溫正火等，利用鍛后余熱進(jìn)行熱處理的比重已超過了10%。

穩(wěn)定提高鍛件質(zhì)量

《缺陷汽車產(chǎn)品召回管理規(guī)定》實(shí)施以來，汽車鍛件質(zhì)量的可靠、穩(wěn)定與提高的重要性愈加突顯。一旦產(chǎn)品涉及大批量召回，這對大多數(shù)制造商來說都會是滅頂之災(zāi)。對于鍛件生產(chǎn)企業(yè)來說，除了要避免出現(xiàn)過熱、過燒、折紋、裂紋等關(guān)鍵缺陷外，對于原材料的質(zhì)量把控也要非常重視，因?yàn)橐坏┰牧洗嬖趦?nèi)在質(zhì)量問題，將會導(dǎo)致整個(gè)爐號的鍛件報(bào)廢。

進(jìn)口材料相對于國產(chǎn)材料來說，其質(zhì)量的一致性好、可靠性高，因而會使后續(xù)工序(如最終熱處理）的工藝穩(wěn)定性也相對要好一些，這就減少了工藝調(diào)試費(fèi)用以及材料檢驗(yàn)費(fèi)用等，產(chǎn)品的綜合成本甚至比國產(chǎn)材料還要低一些。因而對于要求高的產(chǎn)品，為降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，最好還是選用進(jìn)口材料，東風(fēng)鍛造所使用的原材料中進(jìn)口材料目前已占到10%。好的質(zhì)量就是最大的節(jié)材、節(jié)能，穩(wěn)定提高鍛件質(zhì)量是熱模鍛造企業(yè)未來發(fā)展的重要根基。

應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)

數(shù)值模擬技術(shù)是目前國際上鍛造企業(yè)中應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)，在模鍛設(shè)計(jì)中已充當(dāng)重要角色。作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，它取代了傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)據(jù)的工藝和模具設(shè)計(jì)方法，提高了工藝和模具設(shè)計(jì)的技術(shù)水平。

數(shù)值模擬技術(shù)不僅可縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，滿足市場快速反應(yīng)的實(shí)際需求，而且可提高產(chǎn)品質(zhì)量，有效地改善金屬材料的組織和力學(xué)性能，在節(jié)材、節(jié)能、延長模具使用壽命方面正發(fā)揮著越來越重要的作用。

東風(fēng)鍛造自引入Qform 2D、Deform 3D有限元數(shù)值模擬軟件以來，應(yīng)用模擬技術(shù)對鍛造過程中金屬的流動規(guī)律和變形模式進(jìn)行了深入研究，在提高新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)的一次試模成功率、縮短開發(fā)周期以及優(yōu)化鍛造工藝、改善產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)材、節(jié)能、提高模具壽命和生產(chǎn)效率等方面解決了大量的實(shí)際工程問題，實(shí)現(xiàn)了小飛邊鍛造、閉式鍛造，在減小加工余量的熱精密鍛造過程中數(shù)值模擬技術(shù)也正在發(fā)揮著重要的作用。如圖5所示，東風(fēng)鍛造應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了材料利用率提高10%、能耗降低10%、模具壽命提高20%以上的目標(biāo)。

熱模鍛造的發(fā)展方向

我國模鍛件的產(chǎn)量位居世界第一，這些模鍛件大部分均采用熱鍛工藝生產(chǎn)，我國汽車模鍛件的產(chǎn)量約占所有模鍛件產(chǎn)量的67%，在汽車模鍛件中熱鍛件仍占絕對比重。當(dāng)前，熱模鍛造要想持續(xù)保持主導(dǎo)地位，就必須直面挑戰(zhàn)，朝發(fā)揮自身優(yōu)勢的正確技術(shù)方向和路徑發(fā)展。

圖5 數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用案例

面臨的主要挑戰(zhàn)

產(chǎn)能過剩、人力資源匱乏、人工成本上漲、環(huán)境污染嚴(yán)重以及汽車輕量化發(fā)展，是熱模鍛造發(fā)展必須面對的挑戰(zhàn)和破解的命題。

熱模鍛造行業(yè)重復(fù)投資現(xiàn)象嚴(yán)重，特別是曲軸等大型模鍛件的產(chǎn)能已嚴(yán)重過剩，加之以鑄代鍛等用其他制造方法和材料替代鍛件等，使得熱模鍛造行業(yè)的競爭日趨激烈。人工成本逐年上漲，目前已超過動能成本占據(jù)總成本的第二位，而愿意從事鍛造行業(yè)工作的人卻日益缺少，有經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)熟練的技能人員更是嚴(yán)重匱乏，后繼無人。從坯料到最終產(chǎn)品，有20%的材料變成了飛邊、30%的材料變成了鐵屑，再加上10%的料頭、料尾的浪費(fèi)以及1%左右的不良率，如此耗費(fèi)大量資源的行業(yè)在未來將難以為繼。經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和安全性等要求汽車必須向輕量化方向發(fā)展，而這也對熱模鍛造技術(shù)提出了更高、更迫切的要求。

解決方案

產(chǎn)能過剩是全面性、長期性的，要靠市場機(jī)制化解，無論是來自內(nèi)部還是外部的競爭，優(yōu)勝劣汰，這必將加快熱模鍛造向熱精密鍛造方向發(fā)展的步伐。

人力資源匱乏方面，可以通過與教育機(jī)構(gòu)合作，設(shè)立相應(yīng)的學(xué)習(xí)、實(shí)習(xí)項(xiàng)目，多渠道向年輕人介紹鍛造行業(yè)的職業(yè)機(jī)會，拓展人力資源，同時(shí)企業(yè)也要改善工作條件和環(huán)境，尋求更好的留住人才的方式，吸收有才、有志之士長期從事鍛造行業(yè)。

應(yīng)對逐年上漲的人工成本，自動化是最佳的解決方案。自動化減少了對人工的依賴，避免了過程中的人為因素，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，生產(chǎn)效率高。相較而言，多工位的熱模鍛壓力機(jī)更易實(shí)現(xiàn)自動化，少品種、大批量生產(chǎn)多采用步進(jìn)梁。隨著范圍經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來，多品種、小批量生產(chǎn)要求柔性化和更快速的品種切換，機(jī)器人是更好的選擇，尤其是曲軸等大型鍛件的熱模鍛造，多采用機(jī)器人操作。除采用機(jī)器人代替人工外，企業(yè)還可以結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際開展各種減輕工人勞動強(qiáng)度、減少操作人員的改善和改造項(xiàng)目，如自動上料、鍛模自動噴霧潤滑等。

環(huán)境污染、資源短缺的解決方案就是要最大限度地降耗減排，精密鍛造是節(jié)材、節(jié)能的有效途徑。精密鍛造由于很少甚至不需要切削加工，因此可大幅降低原材料的消耗。精密鍛造節(jié)省原材料的空間很大，如某汽車差速器齒輪鍛件的材料利用率為74%，而產(chǎn)品的材料利用率只有33%，大量的金屬被切削加工掉，而采用精密鍛造成形后產(chǎn)品的材料利用率提高到了67%，大幅降低了原材料的消耗。

精密鍛造的汽車零件能夠節(jié)省20%～30%的原材料，力學(xué)性能指標(biāo)可提高15%～30%。目前，日本模鍛件中精密模鍛件的占比為36%，德國為37%，而我國精密模鍛件在模鍛件中僅占6%～8%，國內(nèi)精密鍛件市場的潛力很大，蘊(yùn)藏著巨大的發(fā)展機(jī)遇。

目前主要的精密鍛造工藝包括冷鍛、溫鍛、熱精鍛及熱鍛＋冷精整等，其中冷、溫鍛技術(shù)是最先進(jìn)的少無切削精密鍛造成形技術(shù)。熱精鍛是在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形，坯料通常加熱到1220～1250℃，其成形力很小，塑性變形后不存在加工硬化現(xiàn)象。采用熱精鍛技術(shù)，可突破冷、溫鍛件尺寸和重量的限制，將精密鍛造的產(chǎn)品范圍擴(kuò)大到更多的鍛件。

熱鍛＋冷精整工藝具有顯著的優(yōu)勢，在實(shí)際生產(chǎn)中該工藝也正得到越來越多的應(yīng)用，如變速箱內(nèi)的結(jié)合齒和定滑輪，復(fù)雜成形部分采用熱模鍛造成形，齒形部分熱精鍛成形后再進(jìn)行冷精整。上述的結(jié)合齒由齒環(huán)與齒輪組成，定滑輪由齒輪與軸組成，現(xiàn)組合在一起鍛造成形。這樣的組合成形由于零件間不再需要連接、緊固，因而可省去結(jié)合面的機(jī)加工和裝配，部件的空間尺寸得到了縮小，整個(gè)部件的尺寸也可以設(shè)計(jì)得更小，從而可減輕部件的重量，更好地滿足汽車輕量化的需求。

多零件組合后尺寸較大、形狀也更為復(fù)雜，這會大幅度提高組合成形的技術(shù)難度，如變速箱內(nèi)多個(gè)齒輪和軸的整體成形、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向節(jié)和控制臂的一體化成形等，而這正是熱模鍛造發(fā)揮優(yōu)勢的發(fā)展方向，組合成形顯著的節(jié)材及輕量化效果為熱模鍛造的發(fā)展開拓了一條重要的技術(shù)途徑。

結(jié)束語

當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展放緩、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)正在轉(zhuǎn)型，這對于熱模鍛造企業(yè)來說是風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)也是發(fā)展機(jī)遇，將節(jié)能降耗和減輕大氣污染與提升企業(yè)核心競爭力緊密結(jié)合起來是熱模鍛造企業(yè)健康、低碳、可持續(xù)發(fā)展之道。

熱模鍛造企業(yè)惟有持續(xù)改進(jìn)與創(chuàng)新，應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)加快技術(shù)進(jìn)步，在未來的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中采用清潔工藝、清潔技術(shù)、清潔材料進(jìn)行清潔生產(chǎn)，充分發(fā)揮金屬的熱態(tài)塑性成形優(yōu)勢，高效、節(jié)能地獲得產(chǎn)品的形狀、性能，才能持續(xù)提供給汽車行業(yè)整體、優(yōu)質(zhì)、高性能金屬部件的低成本、低碳的解決方案。未來熱模鍛造終將在要求更為苛刻、形狀愈加復(fù)雜的汽車模鍛件成形中發(fā)揮越來越重要的作用。