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冷、溫鍛造在中國的發展

—— 來源:《鍛造與沖壓》2020年第9期

鋼鐵冷鍛成形技術是一種優質、高效、低消耗的先進生產技術,被廣泛應用于汽車零部件的大批量生產中。而在80年代后,冷鍛生產又發展到溫鍛范圍。冷、溫鍛造生產能力已成為衡量國家工業化水平的一個方面。如今,溫-冷和熱-冷聯合成形正在成為當代汽車零部件精密鍛造的發展方向。

我國冷、溫鍛造的起步

我國的冷鍛研究和生產始于60年代初期,并形成了理論研究體系、進行了廣泛的應用實踐。但在相當一段時期內未能形成蓬勃發展的局面。究其原因有以下幾個方面。
⑴冷鍛生產的工藝特點適合于大批量的生產場合。70年代以前,我國汽車工業主要從事中型卡車的生產,而且生產品種多、規模小、布點分散,無法形成規模化生產。因此冷鍛在當時的汽車工業中難以得到重視和應用(這個時期形成批量生產的汽車典型冷鍛件是活塞銷和輪胎螺母)。
⑵70年代,中國大陸自行車生產已達到大批量規模。但自行車零部件生產的附加值很低。因此,冷鍛生產在自行車制造業得到了一定的應用和發展。另外,作為有一定批量的汽車電氣生產,冷鍛在汽車起動機關鍵零件的生產方面開始有所應用,但生產規模和技術水平進展緩慢,并少有推廣到其他方面。
⑶70年代以前,我國與國外的技術和經濟交流少,對國外先進技術和裝備的引進困難,在一定程度上影響了國內冷、溫鍛造生產的發展。
⑷企業對冷、溫鍛造的技術估計不足,多數企業為了解決某個產品生產中的瓶頸問題而采用冷鍛,把冷鍛視同普通的技術革新。局部小規模的冷鍛生產缺少足夠的技術和經濟資源支持,難以全面解決冷鍛生產中面臨的工藝、設備、材料、模具、表面處理、質量控制等各種問題。因此,這一類冷鍛項目很難有穩定和持續的發展。
從60年代到80年代,冷鍛在國外已發展到冷溫鍛造,而在中國因市場原因,冷鍛技術雖起步較早,但發展緩慢。
在這冷鍛生產困難的發展中,形成了一批中國冷鍛技術的先驅,他們克服困難、艱苦奮斗,活躍在大專院校、科研院所和生產企業,在冷、溫鍛造研究和生產實踐中,解決了很多重大課題,在學術和技術方面達到了較高的研究水平,在國內外享有盛名。
我國開展冷、溫鍛造專業研究的院、校和研究所數量多,分布合理,為發展冷、溫鍛造生產奠定了技術基礎,如表1所示。
表1 我國冷溫鍛造專業院所分布
20世紀80年代,日本的乘用車生產中,以冷鍛工藝生產的汽車零部件就占了汽車鍛件總量的40%,平均每臺汽車的冷鍛件使用量達到40kg以上。歐洲和美國的汽車工業也是如此。冷鍛幾乎成為了精密鍛造的代名詞。

我國冷、溫鍛造生產現狀

20世紀90年代以來,汽車生產被列為我國經濟發展的支柱產業,汽車和零部件生產發展快速,給冷、溫鍛造生產提供了廣闊的市場,很多關鍵零件必須用冷鍛或溫鍛工藝制造(圖1)。在這些關鍵零部件本土化生產中,冷溫鍛造獲得了新的發展機遇。
圖1 典型的汽車零部件冷鍛毛坯

冷、溫鍛造的發展基本上與汽車工業發展同步增長

⑴80年代末,國內冷溫鍛造產品主要是自行車零部件和手表、縫紉機零件以及卡車冷鍛零件,冷鍛件年產量概略估計5萬噸。
⑵90年代,國內摩托車生產開始進入快速發展階段,同時乘用車的生產開始起步。部分企業由摩托車零部件的冷鍛生產,逐步轉向汽車零部件的冷、溫鍛造。這一時期的冷溫鍛造產量逐步發展到7萬噸以上。
⑶2000~2010年,中國的汽車工業進入快速和高速發展階段,這時期有較多的企業及時引進國外先進冷、溫鍛造設備和技術,為汽車關鍵零部件的本土化生產提供優質精密鍛件。同時,國外冷、溫鍛造骨干企業也在中國布點,建設獨資或合資企業。至2000年代末,包括三資企業,國內冷、溫鍛件年產量已超過20萬噸。
⑷2010年以來,國內汽車工業由高速發展轉向調整和有序發展階段,各重點冷溫鍛造企業也都在醞釀進行技術改造,優化產品結構,策劃更大的發展。近期內,冷溫鍛件年產量有望達到30萬噸。

冷溫鍛造生產企業的地域分布

如表2所示,中國冷溫鍛造企業的地域分布,既有集中分布的特點,也有向汽車工業集中地區聚攏的趨勢。
表2 我國冷溫鍛造企業的地域分布
⑴江蘇和浙江是冷溫鍛造集中的地區。
國內三個冷溫鍛造的骨干企業:江蘇森威精鍛有限公司、江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司和江蘇飛船股份有限公司,集中在江蘇省蘇中-蘇北一帶,3廠相距不過100公里左右,都位于沿海高速公路或其支線附近。3個企業總銷售額超過15億元。
浙江省集中了國內等速萬向節冷、溫鍛造中小企業數十家,每年提供數千萬件等速萬向節殼體的冷溫鍛件,為國內外的汽車零部件企業和汽車售后市場提供配套。
⑵在東北、天津、山東、江蘇、浙江、廣東、重慶等汽車工業集中的地區,分別集聚了一批冷溫鍛造中小企業。
⑶在廣東和香港地區,集中了全世界大部分手表殼體和表帶的冷溫鍛造生產企業,以及大量電子產品的精密冷鍛生產企業。
⑷中國大陸的冷溫鍛造企業集中在沿海經濟發達地區和集聚在汽車產業周邊,大部分企業位于交通干線附近,與鋼廠和客戶間的運輸方便,地理位置分布合理。

冷溫鍛造技術引進投資大、回報高

新發展的冷鍛生產以汽車關鍵零部件本土化生產為背景、以引進先進技術和設備為依托。引進項目投資額巨大,但項目投產后市場前景廣闊。
典型企業如江蘇森威精鍛有限公司、江蘇太平洋精鍛有限公司和江蘇飛船股份有限公司等企業,分別引進了冷、溫鍛造和閉塞鍛造技術,從事汽車等速萬向節、汽車差速器齒輪和汽車變速箱齒坯方面的生產。總投資額雖然巨大,但企業采取了與市場同步發展的策略,使每一期的投資都能及時得到效益回報。
90年代初,這3個工廠年銷售額都不超過3000萬元,經20多年分階段的投資發展,每個企業總投資額都達到數億元以上。2011年,這3個企業年銷售額分別達到3.8~7.8億元,增長了20~30倍。
另外,因為關鍵技術與國外汽車零部件行業同步,所以,引進技術后吸引了更多的汽車零部件跨國客戶。
但由于冷、溫鍛造投資大和技術含量高的特點,使一般中、小企業難以進入。因此,鍛造行業像江蘇森威等與國內汽車產業同步增長的企業并不太多。
這一時期,國內冷、溫鍛造發展有一個與其他國家不同的規律,其他國家和地區冷溫鍛造都是從簡單零件開始,鍛造難度和技術水平遵循逐步提高的規律。但國內發展冷溫鍛造主要是為了解決汽車零部件國產化生產難題,因此,投資的重點一開始就針對汽車差速器齒輪和汽車等速萬向節等高難度精密成形項目。

少量國際先進的自動化鍛造線與大量單工位手動生產線同時并存的局面

為了解決汽車等速萬向節和差速器、汽車變速箱等產品的本土化生產,有關企業引進了具有當代國際先進水平的多工位自動溫鍛壓力機和精密成形模具技術,引進了溫、冷聯合成形工藝、閉塞鍛造和分流鍛造等先進成形技術,分別按照歐洲、美國和日本等先進的技術標準生產冷溫鍛造產品。這一類生產線具有著高精度、高強度、高生產率的特點,與國際先進水平同步。因而也容易被汽車零部件跨國公司認可,生產的精密鍛件能順利進入OE配套。
根據汽車售后市場低投入、低成本生產的特點,大部分冷溫鍛造中小企業使用單工位液壓機和通用壓力機組成溫鍛和冷鍛生產線,設備雖然簡陋,但應用了帶石墨涂層的溫鍛感應加熱技術、毛坯加熱溫度的選別技術、溫鍛模具的噴霧冷卻技術、溫鍛控制冷卻技術等先進工藝,因此,生產線投資不大,但生產的冷溫鍛件質量合格,而較低的生產成本提高了這些企業在汽車售后市場的競爭力。

國內引進的冷、溫鍛造先進裝備

⑴多工位自動溫鍛生產線(圖2)。
圖2 2000噸五工位自動溫鍛壓力機
⑵閉塞鍛造用多向液壓冷鍛壓力機(圖3)。
圖3 多向液壓機
⑶多工位自動冷鍛壓力機。
⑷與之配套的壓力機外圍設備:數控伺服步進梁式自動送料機、帶石墨涂層裝置的溫鍛感應加熱爐、模具自動冷卻與潤滑裝置、控制冷卻裝置、高速圓盤鋸、精密斷料機等等。
⑸特種鍛造技術和設備。
因汽車零部件特種成形需要,國內少數企業引進了當代先進的冷擺輾成形技術和設備、徑向成形技術和設備、以及振動擠壓技術及設備等等。引進這些技術和設備的企業有國內企業,更多的是外資和中外合資企業。

模具技術

冷溫鍛造技術引進初期,大部分企業都遇到了模具國產化的問題。經過20多年的發展,多數企業已建成了本企業獨立配套的模具體系。
⑴出現了冷溫鍛造模具專業供應廠商,如太倉久信精密模具有限公司等,專門為冷、溫鍛造企業提供成形工藝和模具設計與制作,并提供服務。
⑵數控加工和真空熱處理已深入冷溫鍛造模具制造領域。
⑶冷溫鍛模具制造的傳統技術——數控放電加工技術被普遍應用。
⑷模具先進制造技術——數控高速銑硬銑加工技術(圖4),在冷溫鍛模具制造領域嶄露頭角,以其制模加工的快速、高精度和高質量優點被看好,有被推廣普及的趨勢。
圖4 高速銑及其應用
⑸淬硬鋼的硬車代磨技術在在冷溫鍛模具制造領域得到推廣應用,硬質合金的車削成形技術已被少數企業掌握。
⑹模具表面滲層和涂層改性技術得到應用,如熱鍛/溫鍛模具的表面氮化、硫氮共滲、冷鍛模具的PVD/CVD處理已有較多應用的案例。

CAE在冷溫鍛造方面的應用

近年來,在中國大陸的高校,CAE已成為塑性成形專業的重要課程,特別是在研究生的學業中,CAE為必修課。但企業應用尚不夠廣泛,學校和企業在CAE方面的合作也有待深入的發展。

冷、溫鍛造材料

國內鋼廠尚不能像歐洲、日本鋼廠那樣,向客戶提供冷、溫鍛造的特殊棒材。但國內已有若干鋼廠能按歐洲和日本標準大批量生產冷鍛線材(圖5)。這些鋼廠分布在天津、南京和上海附近。冷鍛線材基本滿足國內冷鐓和多工位冷成形企業的需求(圖6)。
圖5 冷鍛線材
圖6 冷鍛線材生產的汽車冷鍛件

冷、溫鍛造設備

80年代,國內仿制過一批梅氏冷鍛壓力機,總量超過了100臺,目前尚有40~50臺在用。
小批量制造過400噸、630噸和1000噸液壓冷鍛壓力機,大約20~30臺。
90年代及以后,國內壓力機廠商看到了冷鍛發展的希望,陸續開發過一些液壓和機械傳動的冷鍛壓力機,但都沒有形成批量規模。
臺灣地區向大陸提供了相當數量的冷鍛壓力機,主要是高效率、短行程的冷鍛壓力機,用于自行車和家電及電子產品的冷鍛生產,但不太適合于汽車零部件冷溫鍛造。
作為汽車零部件冷、溫鍛造的關鍵設備,如多工位自動溫鍛壓力機,以及長行程多工位冷鍛壓力機,主要從歐洲和日本引進。
設備制造廠針對冷、溫鍛造特點改良了四柱式液壓機,多臺手動壓力機用輸送滑槽連接,組成簡易的溫鍛生產線,用于汽車零部件的冷溫鍛造生產。在國內這樣的溫鍛生產線有100條以上(圖7)。
圖7 溫鍛線
上述手動生產線雖簡陋,但應用了如石墨涂層、毛坯加熱溫度選別、模具噴霧冷卻-潤滑和溫鍛控制冷卻等當代精密鍛造的先進技術,生產的鍛件能達到當代主機廠接受的合格標準。

—— 來源:《鍛造與沖壓》2020年第9期





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