自由锻造技术工艺发展趋势分析（自由锻造项目市场投资可行性研究报告-节选）

第一节 产品技术发展现状

我国自由锻造技术经过近些年的技术改进及工艺研发，在机械自由锻造技术取得了很大的进步。在锻件设计上将传统工艺与计算机三维设计相结合，开发出了适用于自由锻造程序的工艺设计流程。在锻造技术上将大型锻造机械与电气化主动设备紧密结合，并开发出了液压锻造等先进锻造技术。

但是长期以来，出于战略考虑，发达国家的大型铸锻件生产制造技术一直对我国实行封锁。我国大型锻件自由锻造技术较为薄弱。近几年随着我国航空航天、国防、船舶、电力及机械制造等行业对大型锻件需求的快速增加。国内各相关部门都加强了自由锻造技术及锻造设备的研发。

以中国重型机械研究院为首的锻件研发，近几年来又开发研制了数十台（套）拥有完全自主知识产权的重大技术装备，填补了多个领域中的国内空白。特别是重型锻压装备方面开发研制的10000吨铝型材挤压机获得了2004年度国家科学技术进步一等奖；开发出的5米径轴向数控轧环机于2007年投产使用，成功地轧制了我国航天工业急需的铝合金环。另外我国即将建成的18500吨自由锻造油压机是目前世界上规格最大、技术最先进、唯一的一台重型自由锻造装备，它拥有多个世界第一。该工程的竣工投产将使我国拥有锻造400吨以上锻件的能力，可有效缓解显著提高我国大型自由锻件的生产能力和水平，使我国大型锻压装备的研制水平位于国际前列，对促进我国重大装备制造业的技术进步和大型锻压装备的产业化，全面提高我国大型装备制造业总体水平具有重大战略意义。

在国外技术发展过程中，以德、美、日为代表的工业强国自由锻造技术发展迅速。目前日本研发生产的超自由锻造技术的锻造机械——水平对击式高速自由锻造机，是日本通商产业省工业技术研究院的大型计划：“应用超高性能激光复合生产系统研究发展”中,在“超自由锻造技术的研究”方面,所研制的作为将来自由锻造模拟的样机。这项研究是以大幅度地提高自由锻造生产率的同时,实现高度自动化,面对熟练工不足,力图使锻件的质量稳定为目的的。改压机的行程次数是以前锻造液压机的两倍。另外,采用机械和油压联合的水平对击式驱动机构,可防止高速动作时的振动和噪音。

第二节 产品工艺特点或流程

自由锻造工艺设计过程：

1、绘制锻件图

自由锻件的锻件图是在零件图的基础上考虑了加工余量、锻造公差、工艺余块等之后绘制的图。绘制自由锻件的锻件图可按以下步骤进行：

1）简化锻件形状

为了简化锻造工艺，零件上的小孔、凹档、台阶等部分，可加上余块而不予锻出，如下图，是否加余块要根据零件的形状、尺寸、锻造技术水平和经济效果来确定。

自由锻件图绘制

2）确定加工余量和锻件公差

（1）机械加工余量

为使零件具有一定的加工尺寸和表面粗糙度，在零件表面需要加工的部分，在锻件上留一层供作机械加工用的金属，称作机械加工余量。

（2）余块

为简化锻件外形及锻造过程，在锻件的某些地方和添一些大于机械加工余量的金属，这种加添的金属称作余块。

（3）锻件公差

锻件实际尺寸与基本尺寸之间所允许的误差。公差值的大小是根据锻件形状、尺寸并考虑生产的具体情况而定的。

3）绘制锻件图

在锻件图上，规定用粗实线绘出锻件的形状。为了便于了解零件的形状和检查锻件的实际加工余量，在锻件图上还要用双点划线绘出零件的主要形状。

2、计算坯料质量与尺寸

1）坯料质量

坯料质量可按下式计算：

G坯料=G锻件+G烧损+G料头

式中G坯料——坯料质量

G锻件——锻件质量

G烧损——加热时由于坯料表面氧化而烧损的质量。第一次加热取被加热金属的2~3%，以后每次加热取1.5~2.0%。

G料头——在锻造过程中冲掉或切掉的那部分金属的质量。如冲孔时坯料中部的料芯，修切端部的料头等。

当锻造大型锻件时，如采用钢锭作坯料，还要考虑应切掉的钢锭头部和尾部的质量。

2）坯料尺寸

根据坯料质量即可确定坯料尺寸。在计算坯料尺寸前，先要考虑锻造比。

锻造比是指坯料在锻造前后的断面积的比值。

对于拔长工序来说，其锻造比Rd可按下式计算:

Rd=A0/A1或L1/L0

式中A0、A1——拔长前、后坯料的断面积；

L0、L1——拔长前、后坯料的长度。

对于镦粗工序来说，其锻造比(Ru)可按下式计算:

Ru=A1/A0或H0/H1

式中A0、A1——镦粗前、后坯料的断面积；

H0、H1——镦粗前、后坯料的高度。

确定坯料的尺寸时，应满足对锻件的锻造比要求，并应考虑变形工序对坯料尺寸的限制。采用镦粗法锻造时，为避免镦弯，坯料的高径比(H0/D0<2.5)。但为下料方便，坯料高径比还应大于1.25。

根据坯料质量，由下式求出坯料体积V坯。

V坯=m坯/ρ

ρ——金属密度。对于钢铁ρ=7.85kg/dm3。

然后，求出坯料横截面积A0。

采用拔长法锻造时，由公式：

A0=RdA1

因锻后横截面积A1可知，故可求出A0(坯料为钢锭时，锻造比Rd取2.3～3.0；坯料为轧材时，Rd取l.3～1.5)，最后可求出坯料直径或边长。

3、制定锻造工序

根据不同类型的锻件选用不同的锻造工序。工序确定后，尚须确定所用的工夹具、加热设备、加热和冷却规范及根据锻件质量确定锻造设备。

4、自由锻件的锻造工艺规程举例

自由锻件的锻造工艺规程举例见下表。

锻件名称：齿轮坯

工艺类别：自由锻造

齿轮坯的锻造工艺

第三节 国内外技术未来发展趋势分析

1、自由锻造油压机生产线

建设新型的具有现代控制技术的自由锻造油压机生产线，符合国际上自由锻造液压机的发展趋势，也能满足国内自由锻件生产向大型化、数控化、高精度化和专业化发展的需要，同时降低运行中的维护成本、生产成本、提高效率。必将提高我国自由锻造生产水平，对我国国民经济发展起到积极的推动作用。改生产线的研发主要以来对超高性能激光复合生产系统及超自由锻造技术的研发。

2、数值模拟技术用于检验工艺和模具设计的合理性

随着计算机技术的飞速发展和塑性有限元理论的发展，许多塑性成形过程中很难求解的问题可以用有限元方法求解。在自由锻造成形工艺领域，通过建模和合适的边界条件的确定，有限元数值模拟技术可以很直观地得到金属流动过程的应力、应变、模具受力、模具失效情况及锻件可能出现的缺陷情况。目前有效的数值模拟软件是以刚塑性有限元法为基础建立起来的，这些软件有：Deform、Qform、Forge、MSC/Superform等。运用有限元数值模拟技术可用于检验工艺和模具设计的合理性。用三维大变形弹塑性有限元法对锻件成形过程进行数值模拟，对以闭式模锻为预锻和以闭式模锻、孔分流及约束分流为终锻的两步成形模式的变形流动情况进行了数值模拟分析。数值分析结果及工艺试验对自由锻造产品的符合性是非常有用的，同时对提高工作效率也有很大的帮助。

3、智能设计技术在自由锻造成形工艺、模具设计中的应用

美国哥伦布贝特尔实验室开发出基于知识的预锻几何尺寸设计系统，因设计预锻件的形状为空间几何体，须对其几何形状进行操作，故不能单纯地用一般语言来描述推理过程。对于零件的几何信息，采用框架方法表示，在框架中用不同的槽，定义出组成零件的基本成分和它们之间的拓扑关系。设计规则是用产生式规则表示，用OPS工具进行揄。J.C.Choi和C.Kim7开发了基于知识的冷锻件和热锻件集成工序设计系统，并分别建立了冷、热锻件工艺设计规则。

基于知识设计方法在冷锻成形工艺及模具的设计中的应用，将彻底改变塑性成形传统的依靠设计人员人人经验，设计过程中反复修改、设计效率不高的状态。它使用人工智能、模式识别、机器学习等技术，在设计过程中从系统知识库中提取合适的知识指导冷锻成形工艺及模具设计。目前，该项技术正在进一步发展之中。近年来，基于知识设计方法已成为锻造成形工艺、模具设计智能化技术研究的一个特点课题。

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