中国锻造、冲压和钣金与制作行业主要共性技术发展回顾与展望
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中国锻造、冲压和钣金与制作行业主要共性技术发展回顾与展望 文/中国锻压协会.张金 本文收集整理了2018年以来的资料和行业需求，一些内容或项目可能已经过时，也许有一些已经得到解决，列于此处，便于行业企业予以参考和了解技术发展脉络。 锻造 1.自动化生产线的稳定性与诸多因素有关。首先以模具为例：模具寿命没有达到3000件以上，就要首先提高模具寿命，减少换模时间；其次锻件订单批量足够，如果不能稳定2班生产，不要轻易考虑上全自动生产线，而是用机器人或机械手实现半自动化，解决搬运，减轻劳动强度。 自动化生产线具有信息自动处理和自动控制功能，执行机构按照设计的要求完成预定的动作。自动化生产线比人工操作，某些生产线节拍会受到20-30%的损失，但是自动化生产线可以24小时运转。 2.自动化生产线高效率运行，防止工件传输失败是重要环节。坯料和工件准确定位、夹持，避免跳料问题的出现，在模具设计过程中一定要认真研究。 3.锻造坯料的温度控制是影响锻件质量非常关键的因素。自动加热技术包括了自动上下料系统和感应加热装置。用光电编码器检测上料速度，控制生产节拍。红外辐射温度计和光电开关共同完成坯料温度的测量和控制温度分选机构动作的执行，保证温度合格的坯料进入锻造工序。 4.自动化生产线的干净和整洁是非常突出的问题，定时定点地对润滑冷却系统，以及设备系统每一个点位的电压和电流测试是比较有效的办法。 5.节约材料是锻造永恒的课题，从产品的材料利用率来确定工艺优化目标，实现每一个生产要素的优化。一个优秀的锻造工程师不仅仅是注重新品开发，更要不断优化工艺，持续开展原有产品消耗的降低和生产率的提升。 6.锻造工艺模拟软件应用成为了行业的一个软肋，如何在生产实践中用好模拟软件已经成为一个难点，大部分的研究人员，在试验研究阶段的模拟比较多见，应该加快研究成果的产业化推广应用，必须予以重视。 7.降低每个锻件的成本，才能获得市场竞争力。测算每一类产品的制造费用并核算到每个工序，实施有的放矢的考核措施，才能获得成效。例如每个锻件减少0.1-1元的成本，即实施1元钱工程。在制品和库存数量的控制是关键环节，比如材料占用资金特别大，（3亿元销售不要超过5000万元或更低），每年就会减少6%的利润。 8.材料费用占锻件价格的比例较高，因此材料价格与销售价格涨跌必须匹配，在价格上按照国际惯例执行。不要在材料上留下双方合作的隐患，该涨价涨价、该降价降价，不要总是涨价，而没有降价。形成与市场价格联动的机制。 9.“双碳”目标关乎到每个企业未来的发展，锻造行业的碳排放究竟如何，每一个企业必须予以精确地统计和计算，找到薄弱环节，及时投入相关的技术和装备建立有效的能源管理措施，实施污染物的治理。根据锻造企业的生产情况，对照《绿色工厂评价通则》国家标准，尽可能地满足国家或者地方相关法律法规及标准的要求，从建筑材料、建筑结构、采光照明、绿化及场地、再生资源及能源利用等方面进行节材、节能、节水、节地、无害化及可再生能源利用。 10.根据不同产品锻造工艺，研究模具结构、模具表面处理，模具寿命模具翻新修复方式与锻造设备吨位、打击能量之间的关系等进行研究，积累经验，建立数据库，形成专家系统，是企业数字化、智能化发展的重要基础。模锻工艺、模具设计是知识和经验长期积累固化的复杂过程。预锻模、终锻模的逻辑关系是反复试验、反复修正的结果。在数字化和智能化的环境下，可以提高设计的效率和质量。 11.锻件产品的数字化设计成为现代化的锻造设计手段。CAD（计算机辅助设计）技术在企业中越来越广泛的投入应用，但是由于存在各种各样的制约因素，CAD技术的优势并没有发挥出应有的作用。其中之一就是，CAD标准体系可以建立图文并茂、参数化的标准件库，替代各种形式的标准化手册，促进企业掌握和运用标准，减少重复设计劳动。 12.由于高强钢、有色金属锻造的锻件具有综合力学性能、耐蚀性好等优势，在国民经济建设和国防军工等领域有了更加广泛的应用，特别是能够满足装备制造业轻量化的要求，其应用前景更加令人关注。冷温成形由于没有加热过程或者加热温度低，必定是未来低碳成形的发展趋势，也是重点发展的领域。 13.材料精准本构模型开发研究，建立材料温度-应力-应变数据库和材料润滑剂摩擦系数数据库，提高CAE仿真的准确度，推动基础工艺进步。根据不同材料牌号，锻件尺寸结构和材料成分偏析性能等，建立锻件材料数据库。以锻件材料及尺寸等级进行分类，完善材料基础数据、工艺参数和设备信息，为全行业工艺技术人员提供开发新产品，突破材料成形极限，优化工艺路线，大幅度提升工艺水平，为配套领域实现轻量化、节能环保创造必要条件。 14.尖端材料基础特性及变形机理研究，加强大锻件基础共性技术研究，如新材料成分、热变形行为、缺陷和组织性能控制研究、大型钢锭材料成分、宏观偏析、纯净度及冶金缺陷等精确控制技术研究、大锻件内部夹杂性缺陷、裂纹性缺陷以及粗晶、混晶等材料组织缺陷形成机制及控制技术研究等等，并在材料、冶铸、锻造和热处理等单项技术的基础上，加强大锻件制造全流程的技术集成研究，尤其在材料成分与组织性能关系、冶铸与锻造及锻造与热处理界面的技术研究。建立在上述科学研究基础上，开发各种大锻件短流程制造技术、大型结构复杂锻件的仿形锻造技术等等。 15.无焰烧嘴开发技术。燃气加热是轧钢、锻造、热处理等热加工的第一道工序，而实现无害排放和节能成为了“加热”的重要课题。我国加热炉及热处理炉的烧嘴与国外存在巨大的差距，为此需要开发无焰烧嘴，主要内容如下：
16.大型锻件坯料制备技术（构筑成形技术） — 连铸坯质量稳定； — 表面加工质量与清洁； —焊合质量； — 加热与锻合。 17.多向模锻研究目标。掌握多向模锻的技术与装备的特点，了解不同材料典型模锻件多向模锻工艺的制定步骤与形性控制共性技术，实现复杂锻件多向模锻模具的设计方法，满足模具制造的技术要求。实现部分空心零件和大型阀体等典型多向模锻件常规工业生产。 18.大锻件模锻化趋势。大锻件模锻技术能够引起重视，是因为当下能很容易地制造大吨位的锻造设备，同时也能比较容易地制造大型模具（胎膜）。制造大型设备和大型模具（胎膜）的限制条件越来越少，但必须首先解决好成本与零件质量平衡问题。 冲压 1.铝冲压件质量提升，废品率降低。缺陷包括铝冲压件开裂、表面微小裂纹及表面硌划伤等。本难点与板材存储、环境温度、模具质量、工作温度和工艺有关。如何切实地找到规律予以规范防止，还需要许多不懈的努力。特别是零件开裂与板料储存和运输温度之间的关系和规律等。 2.冲压件表面保护，防划、防纹和防止表面反光不均。从原材料制备、落料、运输、冲压、搬运、焊接连接与装配摸索规律，制订流程和防护方式。 3.冲压模具局部质量提升，与整体质量寿命一致的材料选用和表面处理技术。 4.廉价和可靠的冲压件在线表面质量、形位公差和尺寸公差检测系统是一个努力的方向。 5.模具应力测试与产品质量控制技术，模具精度、设备精度与材料精度的关系和逻辑控制需要进行探索。 6.伺服压力机工艺适应性技术，以及设备运行能量变化（功率变化）测定与产品质量故障的逻辑关系研究。 7.高强钢应用，热冲压是绕不过的一个重要内容，但从低碳角度看，高强钢的冷冲压也是一个重要的研究领域。而热冲压技术体系建立也是一个必须进行的研发工作。 8.冲压+锻造复合工艺，也就是板锻成形是一个重要的方向，特别是精冲的发展方向之一，符合零部件整体化发展的趋势。 9.低压铸铝件与高强钢冲压连接件存在互补性和竞争性，新能源汽车的一些冲压件或钣金件（如部分底盘零件、电池壳/箱/盒）可能也会被低压铸造取代，应引起重视。 10.冲压材料的成形极限，限制了冲压成形的生产效率，通过提升生产效率来提升效益有一个极限值，因此什么因素影响未来冲压的技术进步方向值得探讨。 11.轻量化金属材料拉深成形极限的检测计算及弹复与工艺缺陷控制。轻量化新金属材料指钛，镁，锆，超高强钢，铝基复合材料，夹层板材等低塑性材料。这些材料拉深成形的弹复问题突出，预测方法和控制技术是关键；工艺缺陷指各向异性，表面粗化，起皱等问题，需要对组织尤其织构演变导致的制耳和厚度不均匀进行宏微观研究。 12.冲裁排料技术研究及体系建立。 13.成形仿真与优化技术，主要包括： — 成形过程仿真； — 成形缺陷分析； — 成形质量测量及工件模型生成； — 3D数据比对及仿真优化； — 模具及工艺改进优化研究； — 成形压机确定。 14.类金刚石涂层(DLC)。冲压拉深模具行业使用。硬度达到金刚石的20%以上的绝缘非晶态碳膜。特点：高硬度、高耐磨、低摩擦系数、不亲铝。减少铝屑、铝件硌伤，用于铝件的切边和翻边镶块。 15.冲压成形速度、效率极限，以及冲压频次极限研究。喂料机构、传输机构等配套设备的结构和制造技术研究。 16.热冲压理论体系、制造体系的研究与建立。 钣金制作 1.小批量、多品种和多批次订单的“离散型”生产管理和设备配置，特别是设备配置、布局和操作管理，包含局部“智慧化-自适应系统”等的研究与开发。 2.折弯技术数据，包括材料、板厚、折弯角度和折弯刀具等技术参数以及相互匹配关系，特别是如何就已有的成千上万的老式折弯机进行现代化技术改造。 3.如何提升钣金制作企业的服务价值，发展服务制造，参与产品设计，“精心制作+售后服务（产品改进）”，这种理念如何能在行业内形成共识并加以推广尤为重要；钣金制作行业更需要创意+产品功能实现+制造工艺链成本最低化。 4.大批量钣金件“结构性标准化”工作应该开展，比如机箱机柜的固定件、挂件尺寸、线架尺寸、地脚轮，以及板厚等应该统一标准，有利于规范市场竞争，节约企业和社会成本。 5.金属板材回弹数据库技术，主要包括： — 材料的回弹机理与模型； — 部分材料的回弹数据； — 材料回弹特征与机床特征的关联模型研究； — 基于回弹原理和部分数据库的智能补偿技术研究与应用； — 折弯机角度智能补偿技术； — 折边机智能补偿技术。 6.金属板材切割、焊接智能数据库研究，主要包括： — 不同变量的切割/焊接参数最优化数据库测试与建立； — 基于数据库和遗传算法的不同条件最优参数设置求解模型研究； — 激光切割、焊接智能数据库； 7.钣金车间多设备的生产执行系统MES研究，主要包括： — 装备工艺模型研究； — 动态生产调度软件研发； — 上下游协同软件接口软件开发； — 智能钣金加工车间MES系统。 锻造、冲压和钣金制作设备及工模具 1.数字化样机技术，主要包括： — 虚拟仿真技术的应用研究； — 机电耦合技术研究与应用； — 虚拟调试技术研究与应用； — 虚拟动态技术研究与应用； — 高可靠性装备开发。 2.基于开放式数控系统平台的产品控制技术，主要包括： — 控制系统后置研究与应用开发； — 产品工艺子程序开发； — 产品工艺数据库及控制（算法）模型开发； — 人机界面HMI开发； — 装备数控系统开发。 3.基于2D/3D图形的智能折弯程序CAM技术，主要包括： — 折边CAM开发的工艺需求模型研究； — 多工艺模式下的无干涉求解规则研究； — CAM开发与迭代； — 多边折边机CAM。 4.高动态伺服直驱技术，主要包括： — 变速工况的运动特征点研究； — 低速大扭矩直驱电机的协同研发； — 大推力直线电机的协同研发及驱动应用研究； — 高调速比弱磁调速技术的研究与应用； — 转塔冲床伺服冲头电机； — 激光切割驱动电机。 5.高动态横梁技术，主要包括： — 多体动力学仿真与优化； — 铝合金及碳纤维、石墨等材料的复合设计与应用； — 机电一体化仿真设计与优化； — 抑振技术的应用研究； — 激光切割机高速横梁； — 转塔冲床横梁。 6.基于动态流的多通道图形路径分解CAM技术，主要包括： — 基于工件连续送进的多切割头的加工路径分解； — 效率最大化求解研究与优化； — 协同加工循环轨迹优化求解； — 多头激光落料线CAM。 7.基于2D/3D图形的折弯机、机器人加工程序自动生成的编程软件，主要包括： — 基于2D/3D图形的机器人折弯加工程序生成的接口软件研究； — 基于图形导入的折弯机、机器人协同加工程序生成的接口软件研究； — 折弯机器人加工系统。 8.成形装备可靠性技术，主要包括： — 故障模型及设计、质量管控技术研究； — 设计DFEMA、制造PFEMA等方法开展与研究； — 多种仿真软件的应用； — 可靠性技术。 9.成形装备健康保障技术，主要包括： — 故障及信息采集研究； — 大数据信息物理模型研究； — 监控模型的边缘计算； — 数据镜像技术研发； — 健康保障技术。 锻造、冲压和钣金制作通用 1.材料精准本构模型开发研究，建立材料温度-应力-应变数据库和材料润滑剂摩擦系数数据库，提高CAE仿真的准确度，推动基础工艺进步。 根据不同材料牌号，锻件尺寸结构和材料成分偏析性能等，建立锻件材料数据库。以锻件材料及尺寸等级进行分类，完善材料基础数据、工艺参数和设备信息，为全行业工艺技术人员提供开发新产品，突破材料成形极限，优化工艺路线，大幅度提升工艺水平，为配套领域实现轻量化、节能环保创造必要条件。金属塑性成形工艺模拟技术；金属材料的不同温度下的应力应变数值。 2.高动态伺服直驱技术与伺服功能部件 应用于电子电器、汽车、造船、飞机制造，以及其他所有需要板材成形的机械制造业是锻压装备重要发展部件。 未来锻压设备伺服化是一个重要的趋势，也是实现自动化、数字化和信息化的重要支撑技术。 3.锻压自动化生产线实时数据采集系统 如何采集和分析锻压自动线的各种重要参数，以及通过参数变化来判断生产线的稳定情况和零部件的尺寸与形位偏差情况，这个系统首要的是建立一整套的逻辑关系，同时需要完美的“传感器”等硬件。 4.基于多列库的柔性板材加工生产系统研究，主要包括： — 生产数据系统研究； — 基于多设备、集中物流的协同控制系统研究； — 并行柔性生产管控系统研究； — 数字孪生技术研究； — 板材柔性加工系统。 5.高强钢模具加热、冷却和冲压件热处理机理，主要包括： —模具加热温度及其检测与控制； — 模具表面处理技术，涂渗材料、厚度与工艺； — 高强钢加热温度、冷却速度等的热处理参数。 6.管内壁堆焊与加工技术，主要包括： — 堆焊方式与加工，特别是细管； — 材料匹配； — 涂渗工艺。 |
