航空工業(yè)模鍛裝備的應用及其發(fā)展趨勢

中國鍛壓協(xié)會航空材料成形委員會主任委員、行業(yè)知名專家 曾凡昌

航空工業(yè)歷來重視材料、鍛件及其技術(shù)裝備的研究與發(fā)展，重要原因是基于它們是推動航空器發(fā)展的不可或缺的技術(shù)與物質(zhì)基礎之一。

自1903年12月17日美國萊特兄弟首次把有動力、可操縱和可持續(xù)飛行的飛機送上天空，迄今百余年以來，軍用飛機發(fā)展到第五代服役，民用飛機發(fā)展到A380、A350和B777、B787等投入運營，標志著航空科學技術(shù)獲得了巨大的成功，揭開了人類航空事業(yè)的新紀元。同時，標志著包括航空材料、鍛件及其技術(shù)裝備在內(nèi)的、與航空工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域都獲得了巨大的技術(shù)進步。

航空工業(yè)是驅(qū)動和牽引模鍛裝備向大型、精密、專用和智能化方向發(fā)展的動力源，具有上述功能的模鍛裝備才能為飛機機體和發(fā)動機提供由先進材料制成的大型、整體、優(yōu)質(zhì)、精密的模鍛件，如飛機機體的框、梁、接頭、起落架、槳轂殼體等結(jié)構(gòu)件，發(fā)動機的壓氣機盤（葉盤）、渦輪盤（葉盤）、機匣殼體、軸和某些變形合金葉片等。

生產(chǎn)航空鍛件的模鍛裝備包括鍛錘、機械壓力機、液壓機和為某些特種鍛造所需的專用鍛壓設備，以及輾環(huán)機等。大型模鍛件用于制造飛機機體和發(fā)動機的關(guān)鍵零件和重要零件，其所必須的模鍛裝備同飛機發(fā)動機的更新?lián)Q代存在互相依存和互為促進的因果關(guān)系。從這個意義上說，大半個世紀以來，模鍛裝備噸位（壓力）的增大和功能的不斷完善與進步，才能使由新型材料制成的航空鍛件為飛機的更新?lián)Q代成為現(xiàn)實并做出了應有的貢獻。

國外重型模鍛液壓機的發(fā)展歷史回顧

第二次世界大戰(zhàn)前，德國因戰(zhàn)爭需要于1934年建成了70MN模鍛水壓機用于生產(chǎn)鋁合金航空模鍛件，1938～1944年間又相繼建造了三臺150MN和一臺300MN模鍛水壓機，用于生產(chǎn)大型鋁合金航空模鍛件，為發(fā)揮空戰(zhàn)優(yōu)勢起到了很大作用。當時同盟國中僅英國擁有一臺120MN模鍛水壓機，其他國家均無萬噸級模鍛水壓機。美國在第二次世界大戰(zhàn)期間，作為戰(zhàn)爭非常措施，曾建造了百余臺中小型模鍛和擠壓水壓機，其中最大的僅為50MN模鍛水壓機，用于生產(chǎn)B－17、B－25、B－29轟炸機鋁合金鍛件，由于缺乏大型模鍛水壓機，戰(zhàn)時大型模鍛件供應不足，連續(xù)幾年飛機生產(chǎn)完不成任務，在二次世界大戰(zhàn)期間因此而吃了虧。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，美國、前蘇聯(lián)兩個超級大國意識到重型模鍛液壓機對其國防建設，尤其是航空工業(yè)建設的重要戰(zhàn)略作用，作為戰(zhàn)爭賠償物資，分別從德國拆走萬噸級模鍛水壓機（蘇聯(lián)當時拆走了德國300MN模鍛水壓機并安裝于烏拉爾鋁廠）并俘獲了德國的水壓機設計師回國為其服務。到1955年美國已先后建成了100MN和160MN模鍛水壓機各一臺，315MN和450MN模鍛水壓機各2臺。其中450MN模鍛水壓機一臺裝于克利夫蘭的美國鋁公司(ALCOA)，而另一臺則裝于馬薩諸賽州的Wyman Gordon鍛造公司。前蘇聯(lián)也在1959年先后建成了300MN模鍛水壓機3臺和750MN模鍛水壓機2臺。其中750MN模鍛水壓機一臺裝于古比雪夫（薩瑪拉）鋁廠，另一臺則裝于烏拉爾的上薩而達冶金生產(chǎn)聯(lián)合廠(ВСМПО)。前蘇聯(lián)并于20世紀70年代為法國制造完成一臺650MN的多向模鍛水壓機，并于1976～1977年安裝于法國AUBERT&DUVAL公司投入使用(見圖1a、b、c、d)。

總體來看，到20世紀末為止，全世界共有萬噸以上模鍛水壓機30余臺，美國、前蘇聯(lián)各占10余臺，約為總臺數(shù)和總噸位的70%左右。以上大型鍛壓裝備所生產(chǎn)的大型整體模鍛件和優(yōu)質(zhì)原材料，使美國、俄國、法國在航宇產(chǎn)品方面迄今仍位居世界前列，在國際政治斗爭和軍事斗爭中處于擁有戰(zhàn)略武器裝備的優(yōu)勢，在民用航空方面造就了西方國家雄居大型飛機“巨無霸”的地位。

圖1

圖2 100MN有色金屬模鍛液壓機

圖3300 MN有色金屬模鍛水壓機

我國航空模鍛裝備發(fā)展歷史回顧

我國航空工業(yè)從1951年建立到如今已經(jīng)走過了62個春秋?；跉v史條件，航空工業(yè)從無到有、從小到大，經(jīng)歷了修理、制造零件→仿制→改進、改型→自行設計研制航空產(chǎn)品的漫長發(fā)展道路。在鍛件生產(chǎn)及鍛壓設備方面，在20世紀60年代前，按照前蘇聯(lián)模式在航空工業(yè)內(nèi)部的飛機和發(fā)動機主機廠配備了只能生產(chǎn)中小型鍛件的鍛壓設備，如5t及其以下的模鍛錘、1～5t自由鍛錘，以及40MN及其以下的熱模鍛機械壓力機、摩擦壓力機，用以生產(chǎn)當時稱之為“部內(nèi)鍛件”的中小型鋁合金鍛件和合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹熱強鋼鍛件。與此同時，按照計劃經(jīng)濟的指令和系統(tǒng)配套的原則，在冶金工業(yè)內(nèi)部配備了生產(chǎn)“大型鍛件”的鍛壓設備，如1960年在現(xiàn)東北輕合金加工廠投產(chǎn)的50MN和100MN模鍛水壓機（前蘇聯(lián)產(chǎn)，見圖2）和其后在機械工業(yè)部德陽二重投產(chǎn)的10t和16t模鍛錘，用以生產(chǎn)第二代軍用飛機的大型鋁合金鍛件和鋼制鍛件，以及Fe-Ni基高溫合金盤類鍛件。在“條塊分割、部門林立”的計劃經(jīng)濟時期，航空工業(yè)將從系統(tǒng)之外采購的大型鍛件稱之為“部外鍛件”或“外購鍛件”。按照部門分工，鍛壓裝備一律由機械工業(yè)部門沿襲前蘇聯(lián)圖樣設計制造，清一色的蒸汽-空氣有砧座模鍛錘和隨后發(fā)展起來的25噸－米至100噸－米無砧座對擊錘成為20世紀后半葉生產(chǎn)航空大型鍛件的主力設備。值得銘記的史實是：在前蘇聯(lián)撕毀合同、撤走專家的“困難時期”，為應對國際形勢斗爭的需要，維系軍用飛機大型鍛件的生產(chǎn)供應，由時任機械部副部長沈鴻和三機部副部長劉鼎共同決策，在我國自行設計的安裝于上海重型機器廠的第一臺120MN自由鍛水壓機上開展鋼制大型模鍛件的試制生產(chǎn)，先后完成多個機型數(shù)以萬件模鍛件的應急供應。與此同時，在馬鞍山車輪輪箍廠的80MN水壓機生產(chǎn)線和輪箍生產(chǎn)線上，先后完成多個發(fā)動機型號數(shù)十萬件盤類件和環(huán)形件的應急供應，為航空裝備的發(fā)展做出了歷史性的貢獻。

結(jié)合“三線建設”的歷史背景和試制航空航天等軍事裝備的需要，我國第一臺由中國一重設計制造的300MN有色金屬模鍛水壓機，自“6111工程立項”，歷經(jīng)15年于1974年在西南鋁加工廠建成投產(chǎn)（見圖 3）。該壓力機主要用于模壓各種鋁和鋁合金模制品，模鍛大型飛機、飛行器和導彈的重要零件，具有工作行程大、工作臺面大(10m×3.3m)等特點，適合于模鍛大、長形零件，最大可壓制投影面積為1m2的模鍛件。當時，牽引該壓力機需求的大型飛機是我國于1959年引進的原蘇聯(lián)50年代初期研制成功、1958年停產(chǎn)的圖－16轟炸機（我國型號為H－6）。該機最大的鋁合金模鍛件——中外翼前后梁框（單機共4件），即為研制300MN模鍛水壓機的典型產(chǎn)品之一。所以，當年設計300MN模鍛水壓機的產(chǎn)品服務對象是定位于鋁及鋁合金等有色金屬模鍛件。西南鋁加工廠在成功地掌握了該壓力機的使用維護特性之后，大力研發(fā)鍛壓新工藝、新技術(shù)，并應用于新材料、新鍛件的試制，在我國僅有300MN模鍛水壓機的有限條件下，為航空產(chǎn)品新型號研制和其他工業(yè)產(chǎn)品提供了所急需的包括高溫合金、鈦合金材料的試制批鍛件。300MN模鍛水壓機的建成投產(chǎn)，標志著我國邁入了重型模鍛裝備的設計制造行列。

關(guān)于在我國建設一臺與美國、原蘇聯(lián)最大模鍛液壓機噸位相當?shù)闹匦湍ｅ懸簤簷C的問題，在國家有關(guān)工業(yè)部門已經(jīng)議論了約30年。其間，在1975年、1977年和1986年還曾得到中央領(lǐng)導同志和國務院有關(guān)部委的批示或批準立項。如1975年10月6日，國家計委以《關(guān)于建造大型模鍛水壓機基地的復文》批準立項建設650MN黑色金屬模鍛液壓機，原一機部、三機部及其下屬的有關(guān)企事業(yè)單位圍繞大型模鍛水壓機的建設問題做了許多實際工作，在原一機部德陽二重還設計制造了一臺1∶10的65MN模擬樣機。后因國家轉(zhuǎn)入國民經(jīng)濟調(diào)整、改革、整頓、提高時期，大規(guī)模壓縮基本建設投資，該建設項目于1983年停止實施。

應當指出，在關(guān)于發(fā)展我國大型模鍛裝備這一問題上，航空、機械和冶金工業(yè)的廣大科技人員，從國家的長遠利益和可持續(xù)發(fā)展的需要出發(fā)，幾十年來為辦成這件帶有戰(zhàn)略意義的大事獻計獻策，翹首以待。時至今日，我國在政治、經(jīng)濟、軍事和科技等方面都取得了歷史性的巨大成就，同時又面臨著新形勢下進一步發(fā)展國家綜合實力和加強國防建設的新任務。大型飛機研制已列入《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》重大專項。兩院院士師昌緒先生審時度勢，強調(diào)指出“研發(fā)飛機大型整體優(yōu)質(zhì)鍛件的鍛壓裝置必須立足國內(nèi)”，于是在2003年1月24日建議中國工程院列一個咨詢項目課題。師院士作為咨詢課題組長，組織各方專家30余人，在中國鍛壓協(xié)會協(xié)助下歷時一年就項目的必要性、可行性及實施方案進行了多次論證，最后決定建議國家批準立項制造一臺世界上最大的8萬t鍛壓機。國家發(fā)改委于2007年11月批準立項，800MN模鍛液壓機在中國第二重型機械集團公司和參研團隊的合力攻關(guān)下，已于2013年4月10日正式投產(chǎn)（見圖4）。800MN模鍛液壓機是“國之重器”，是我國工業(yè)實力的重要標志和綜合國力的象征。中國二重自主設計、制造、安裝的800MN模鍛液壓機是目前世界上規(guī)模大、技術(shù)先進、鍛造能力強的模鍛設備，壓力機總高約42m，總重約22000t，其中單件重量在75t以上的零件68件。壓力機外形尺寸、整體重量和最大單件重量均為世界之首。800MN模鍛液壓機采用世界先進操作控制技術(shù)，可在800MN壓力內(nèi)任意噸位無級調(diào)控實施鍛造，最大模鍛壓制力可達1000MN，壓制時同步精度＜0.01mm/m，其同步精度高、抗偏載能力強，可以實現(xiàn)無級調(diào)壓、調(diào)速。800MN大型模鍛液壓機的建成投產(chǎn)，攻克了我國大型模鍛裝備極限制造的技術(shù)難題，從此將我國高端重大裝備的制造能力提升到國際一流水平。800MN大型模鍛液壓機的建成投產(chǎn)，打破了制約我國航空航天和裝備制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，對改變我國大型模鍛件依賴進口，實現(xiàn)大型模鍛產(chǎn)品自主化、國產(chǎn)化，變鍛造大國為鍛造強國均具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

圖4 中國800MN模鍛液壓機

圖5

值得指出的是，在發(fā)展重型模鍛裝備的技術(shù)路線上，以清華大學為主與有關(guān)單位合作，創(chuàng)新了一種新的壓力機設計思想和新的壓力機機械本體結(jié)構(gòu)形式，提出了“鋼絲纏繞預應力板框”機架的設計方案，板框的立柱和上下半圓梁剖分為多塊，以高強度扁鋼絲將其纏繞為一個整體并使其處于壓應力保護狀態(tài)，極大地阻尼了裂縫擴展的機會，使機架的抗疲勞性能和抗過載能力顯著提高。壓力機的活動橫梁也剖分為多塊施以鋼絲纏繞預應力組合成一體。 應用這種新的設計思想和新的結(jié)構(gòu)形式成功建造的300MN和400MN模鍛液壓機，分別在蘇州昆侖重型裝備制造有限公司和西安三角航空科技有限公司投產(chǎn)（見圖5）。

模鍛裝備發(fā)展趨勢淺析

模鍛壓力機是生產(chǎn)模鍛件的主要設備，壓力機由機械本體、液壓傳動、檢測與控制、操作系統(tǒng)等部分組成，必須滿足航空鍛件既“成形可控”又“組織性能可控”的基本要求。

模鍛壓力機噸位的大小取決于該設備所制鍛件的材料變形抗力、鍛件幾何尺寸、形狀特征、精密程度、投影面積，以及工藝水平等主要因素。飛機機體鍛件大量應用高強鋁合金、鈦合金和超高強度合金結(jié)構(gòu)鋼，航空發(fā)動機鍛件材料則以高溫合金和鈦合金為主，都屬于變形溫度范圍窄、變形抗力大的難變形合金材料；輕量化和“為節(jié)省每1g質(zhì)量而奮斗”是航空航天器結(jié)構(gòu)設計者所追求的永恒主題，采用大型整體模鍛件代替由多個零件組成的機械連接件和焊接件，可以有效減輕飛行器質(zhì)量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重和提高產(chǎn)品的可靠性。美國F－22戰(zhàn)斗機的Ti6Al4V鈦合金模鍛件的投影面積達5.53m2、空客A380飛機整體翼梁由新型鋁合金7085制成，堪稱世界大型整體鋁合金模鍛件之最（見圖6）；航空模鍛件形狀呈多維方向發(fā)展趨勢，精密程度要求趨高，以及鍛件生產(chǎn)中力求優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能環(huán)保和低成本等因素，都會對模鍛裝備的噸位、結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)和壓機功能提出相應的規(guī)定及技術(shù)要求。

針對國情，結(jié)合現(xiàn)實，對我國發(fā)展航空鍛壓裝備如何形成“合力”和“由大變強”，有幾點淺見供討論。

（1）從事航空鍛件研發(fā)和生產(chǎn)的鍛造企業(yè)即鍛壓設備的使用方，除必須諳熟并掌握鍛件所用材料的生產(chǎn)工藝、材料變形特性及其與組織性能之間的規(guī)律關(guān)系外，還必須熟悉鍛壓設備的結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)規(guī)格，尤其是掌握鍛壓設備的使用性能參數(shù)或使用特性，以便正確地設計鍛件的鍛壓工藝過程，生產(chǎn)出價廉物美的優(yōu)質(zhì)鍛件，滿足飛機和發(fā)動機制造商的需求。同樣，作為鍛壓設備的設計制造供應方，也必須了解并掌握鍛件材料和模鍛工藝同設備性能及其各項技術(shù)參數(shù)之間的因果關(guān)系，如設備載荷或能量、強度與剛度、工作行程速度、精度和抗偏載能力等與所要求的鍛壓工藝、鍛件質(zhì)量、生產(chǎn)效率等的相符合性。只有構(gòu)建起“做好設備”和“用好設備”兩者間的利益共同體關(guān)系，改變我國兩者之間目前實際存在的“分而治之”現(xiàn)象，加強材料制造-鍛件制造-模鍛設備制造-鍛件用戶企業(yè)之間的技術(shù)合作交流，著力落實和創(chuàng)新“產(chǎn)、學、研、用”合力攻關(guān)的措施，才是推動上述各方面相得益彰、“變大為強”的必由之路。最近十年我國從德國進口了若干先進的鍛壓裝備（見圖7），對設備供應商提供設備的終驗收規(guī)定了“完成給定鍛件的合格生產(chǎn)”的要求并如期實現(xiàn)，即所謂“交鑰匙工程”。我們應當由此得到啟迪和深思。

圖6 A380飛機7085鋁合金制大型整體模鍛件

圖7 3.55萬t離合器式螺旋壓力機

（2）同步發(fā)展模鍛裝備（硬件）和模鍛工藝技術(shù)（軟件），是技術(shù)創(chuàng)新的有效途徑。

眾所周知，20世紀中葉以來發(fā)展起來的等溫鍛造、等溫超塑性鍛造、“差溫鍛造”（也有稱之為“近等溫鍛造”）等鍛壓工藝技術(shù)，其起因或因材料越來越難變形，或因鍛件技術(shù)質(zhì)量要求組織均勻一致性，更有現(xiàn)實鍛壓設備能力不足“小設備干大活”使然等。這種鍛壓工藝技術(shù)除了對鍛件材料的“最佳可變形性”、鍛壓用模具材料及其加熱系統(tǒng)、防護潤滑等技術(shù)要研究更新外，更對鍛壓設備的結(jié)構(gòu)和使用性能參數(shù)提出了新的相適應性的硬性規(guī)定。于是，一種新的模鍛工藝和一種新的模鍛設備，于20世紀70～80年代在美國陸續(xù)建成了5臺50～150MN等溫鍛造工藝專用設備（見圖8）。迄今，為美國的軍用、民用航空發(fā)動機生產(chǎn)了數(shù)萬件變形高溫合金和粉末高溫合金盤類鍛件。這種專用鍛造設備的系統(tǒng)集成和智能化控制，以及所產(chǎn)鍛件精度之高和冶金質(zhì)量近乎“零缺陷”，將鍛壓設備技術(shù)和鍛造工藝技術(shù)發(fā)展到了新的階段。我國的模鍛設備工作者和模鍛工藝從業(yè)者，應當融合彼此之長，彌補彼此之短，合力推動我國的鍛造事業(yè)做強。

（3）做強鍛造企業(yè)，除要擁有先進的鍛壓設備及其完善、協(xié)調(diào)配套的輔助設施外，人才（技術(shù)的、管理的）素質(zhì)及職業(yè)操守顯得尤為重要，而這兩者恰恰是我們鍛造企業(yè)的軟肋。

我國已經(jīng)能夠設計制造世界最大噸位的各種類型鍛壓機的機械部件及其總成，但關(guān)鍵核心技術(shù)如液壓系統(tǒng)、電氣與控制系統(tǒng)仍不能自給；鍛造操作機或機械手智能化程度及其同主鍛壓機同步協(xié)調(diào)性不佳；鍛造和熱處理加熱爐精度低，加熱爐的控制技術(shù)、儀器儀表、燃燒系統(tǒng)、爐體結(jié)構(gòu)及其爐襯耐火材料等有待改進和提高，……。這是一個系統(tǒng)工程集成優(yōu)化和同步發(fā)展的問題，也是形成最優(yōu)化生產(chǎn)力的必須條件，只抓某個大型鍛壓設備居世界第一而不言其他，是成就不了鍛造強國夢的。

圖8 100MN等溫鍛造工藝專用設備

在軟件方面，我們在材料成形與控制學科領(lǐng)域不重視基礎理論研究和應用研究，缺乏激勵機制，形成不了系統(tǒng)的材料精確成形和組織性能可控的工藝技術(shù)（專利）用于生產(chǎn)實踐中。專業(yè)人才的缺失及趨利性流動，以及職業(yè)技術(shù)教育乏力導致生產(chǎn)一線熟練工人奇缺，對作為創(chuàng)新主體的鍛造企業(yè)而言是極大的危機。針對時弊，增加高等院校高端人才培養(yǎng)數(shù)量并改進培養(yǎng)方式，大力發(fā)展職業(yè)技術(shù)院校教育并提高畢業(yè)生的待遇，使鍛造及其所需的相關(guān)專業(yè)后繼有人，方可在軟實力方面逐漸逼近強國行列。

（4）航空模鍛裝備面臨“3D打印設備和制造技術(shù)”的挑戰(zhàn)。

近幾年出現(xiàn)的“3D打印技術(shù)”被用于飛機鈦合金大型整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)上。據(jù)稱，其所制成構(gòu)件的幾何形狀和組織性能，可與傳統(tǒng)的模鍛裝備所鍛造的大型模鍛件媲美。3D打印這一嶄新的技術(shù)是與產(chǎn)品創(chuàng)新緊密相關(guān)的，對傳統(tǒng)制造業(yè)可謂是一次革命性的挑戰(zhàn)。就航空鍛件的生產(chǎn)而言，3D打印技術(shù)已有的成果和應用實例，表明這一新技術(shù)新設備能為航空鍛件（構(gòu)件）的制造另辟捷徑，較之傳統(tǒng)制造方法在技術(shù)經(jīng)濟綜合性價比方面具有明顯的優(yōu)勢，其潛在的生命力和產(chǎn)業(yè)化前景不可小視。但是，就這一嶄新技術(shù)從構(gòu)想、試驗、驗證到工程應用直至實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，畢競還需要一個再認識、再實踐、再完善的過程。目前，3D打印設備在構(gòu)件的打印精度、設備的可靠性及設備核心零部件如激光器的安全可靠，以及所制構(gòu)件用的金屬粉末等，都還存在需要研究、完善和提高的課題。從這個意義上說，3D打印技術(shù)取代傳統(tǒng)的模鍛裝備批量生產(chǎn)大型航空鍛件為時尚早，但催促傳統(tǒng)制造技術(shù)向極致方向發(fā)展并提升其競爭力，不失為一股強大的正能量。（20131017）