大型锻造压机与国产大飞机

近日,人民日报发表文章称目前世界上最大的、由中国二重自主设计制造的大型模锻压机进入主体设备的安装阶段,一经投入使用,我国大型模锻件资源长期受制于人的局面将彻底改变,将为我国航空事业的发展提供强有力的支撑。…[详细]那么大型模锻件的制造难度在哪里?大型模锻件与航空产业有什么联系?我国大型锻造压机的技术水平又如何?腾讯军事为您作出分析。

2012-03-09 第 0030

现代锻造工艺与大型液压机

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什么是锻造?以古剑为例,剑身密集的纹路就是锻造留下的痕迹。锻刀需要将金属坯经过上百次的反复折叠、锤打,这一过程中刀坯金属料内部结成细小均匀的结晶组织,使刀剑获得更高的强度等机械性能。

锻造是当今工业重要的加工手段

锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力,使其产生塑性变形以获得具有特定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。锻造是一种非常古老的金属加工工艺,从远古时代起人类就开始通过锻造工艺来制造金属刀剑,以及通过锻造来改变金属的性质。金属零件经过锻造方法热加工变形后,由于金属的变形和再结晶,原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织,钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等缺陷得到了压实和焊合,组织变得更加紧密,提高了金属零件的塑性和力学性能。同时锻造加工能保证金属纤维组织的连续性,使得锻件的纤维组织与锻件外形保持一致,金属流线完整,具有更好的力学性能和更长的使用寿命。所以,锻造零件的机械性能一般优于同样材料的铸造、轧制零件。机械中负载高、工作条件严峻的重要零件,除形状较简单的可用轧制板材、型材或焊接件外,多采用锻件。

在现代工业中,锻造作为一种古老工艺不但没有趋于衰亡,而是历久弥新,在各种复杂环境下工作的金属部件很多都通过锻造制造。而高、精、尖的工业、交通和军用产品,更是必须大量使用锻造部件才可以满足苛刻的需求,如核电站的蒸汽发生器、压力容器,发电站汽轮机组的叶片、大型发电机转子,航空发动机的涡轮盘和涡轮叶片,飞机的主梁、隔框和起落架支柱等,都必须采用锻造。这其中有些零件体积大、结构复杂、受力条件苛刻,必须使用锻造力特别大的锻造设备才能加工,这也就是大型液压机的用武之地。

美国宾夕法尼亚州伯利恒的莱赫重型锻造公司已有100多年历史的自由锻造水压机,目前还在使用。这台10000吨水压机可锻造270吨,直径3.3米的钢锭。

现代锻造技术的基础:大型液压机

液压机是一种以液体为工作介质,根据帕斯卡原理制成的用于传递能量以实现各种工艺的机器。液压机一般由本机(主机)、动力系统及液压控制系统三部分组成。根据工作介质不同可以分为水压机和油压机,以水基液体为工作介质的称为水压机,以油为工作介质的称为油压机。液压机的规格一般用公称工作力(千牛)或公称吨位(吨)表示。锻造用液压机多是水压机,吨位较高。但是水压机存在容易泄露和压力不平稳问题,油压机压力平稳容易控制物品变形速度,更适合加工精密锻件。

锻造根据成型时金属流动方式分为模锻和自由锻两种,模锻是金属在近似封闭的模型中整体成型,常用于大批量锻件生产。由于金属在模锻过程中整体流动,因此要求设备能力较大,比如,一个解放车发动机的六拐曲轴的模锻需要12500吨压力机,若是尺寸再大,例如飞机上的模锻件则需要3万吨甚至8万吨压力机才能实现。自由锻造则是局部变形,通过压力机上下砧座和相关附具,将金属逐步锻打成需要的形状,常用于小批量和大型锻件生产。例如汽轮机转子、大型支撑辊、船用大型曲轴、核电中的压力壳、蒸发器、接管段等等。这些大型锻件无法用模锻的方法生产,只能在自由锻造压力机上实现。一般常说的万吨水压机主要指自由锻造水压机。

1795年,英国人J-布拉默应用帕斯卡原理发明了水压机,用于打包、压榨植物油等。到19世纪中期,英国开始把水压机用于锻造,水压机遂逐渐取代了超大型蒸汽锻锤。到19世纪末,美国制成12000吨级自由锻造水压机。此后,全世界先后制造20余台1万吨级的自由锻造水压机。40年代,德国制成18000吨级的巨型模锻水压机,此后全世界先后制成18000吨以上的模锻水压机数十台。

我国大型锻造业历史和需求

中国第一台国产万吨级水压机——沈阳重型机械厂为一重型机器厂制造的1.2万吨级水压机,1964年12月投产。

从日本战败赔偿品开始起步

在1934之前,我国是没有大型金属件锻造工业的。1934年,日本殖民者在我国东北开始安装2000吨和4000吨级自由锻液压机,这是我国现代金属锻造工业真正的起点。1945年日本战败投降以后,向我国赔偿了一批锻造设备,有1000吨、1200吨、2000吨自由锻水压机各1台、3000吨自由锻水压机2台,5吨蒸汽锤2台,以及3吨以下蒸汽锤约5台。这些设备一直存放在几个省市的仓库中锈蚀。建国后,1953年首先将日本赔偿散存在鞍山的2万吨自由锻水压机修复,在沈阳重机厂安装投产,这是我国第一家生产大型锻件的企业,通过对日本赔偿水压机的修配工作,沈阳重机厂还成为了我国能设计制造锻造水压机的第一家企业。1953~1957年我国进入第一个5年计划,在苏联援建的几个企业中,有800吨、1200吨、2000吨、3000吨、6000吨自由锻水压机约8台。

为了改变我国重型机械工业的不利局面,1958年8月,中央正式批准研制两台1.2万吨级水压机,其中一台安装在第一重型机器厂,以沈阳重型机器厂和第一重型机器厂为主设计制造,由二机部副部长刘鼎负责组织实施。另一台安装在上海重型机器厂水压机车间,以江南造船厂为主设计制造,由煤炭工业部副部长沈鸿负责组织实施。1962年6月22日,上海江南造船厂经过4年努力制造的1.2万吨自由锻造水压机,在上海重型机器厂试车成功,并投入试生产,能够锻造几十吨重的高级合金钢锭和300吨重的普通钢锭。它的成功,标志着我国重型机械的制造进入了一个新的历史阶段。

在之后,1971年我国在西南铝业公司安装了3万吨模锻水压机,这也是我国目前投入使用的最大型液压机。

美国古德里奇公司依靠俄罗斯7.5万吨水压机加工成的A380客机主起落架。美国最大的锻压机只有5万吨级,无法满足加工A380主起落架坯料的技术需求。

我国锻造能力落后曾长期制约核电、航空产业提升

目前,世界上拥有4万吨级以上模锻压机的国家只有美、俄、法3国,其中美国拥有5万吨级的4台,法国拥有6.5万吨级的1台,俄罗斯拥有7.5万吨级的2台。大压机是建造大型飞机所需部件必不可少的设备。据业内人士介绍,在世界大型客机市场上,空中客车公司之所以能够后来居上,生产出A380客机,一个重要因素就是它在大型锻件生产上寻求到了俄罗斯的帮助,A380起落架的成型,就是在俄罗斯7.5万吨压力机上完成的。在零部件加工能力上的这种差异,成为波音与空客竞争的重要因素之一。

我国当前在液压机的吨位上与世界领先国家有相当巨大的差距,在过去我国长期只有12000吨级别自由锻水压机和3万吨模锻水压机,缺乏特大型锻压机和大型油压锻造部件,无法锻造100万千瓦级核反应堆的压力容器、大型涡扇发动机的粉末冶金大直径涡轮盘等,核电等设备长期依赖进口,而航空用零件只能用其他办法代替。比如西南铝业使用包套锻造方法在水压机上锻造本应由油压机锻造的太行发动机双性能涡轮盘,产量低、质量波动大,成本也有大幅增加。

特别是90年代以来,早期的大型自由锻水压机进入寿命后期,故障增多、锻造能力下降,严重影响了产品生产。2002年2月18日晚上,第一重型机器厂的12000吨水压机在锻造30万千瓦低压转子时,一根立柱发生裂断,需要进行大规模的修复才能恢复生产;上海重型机械厂12000吨水压机在90年代锻造能力下降,经过修复后才恢复使用;第二重型机器厂的10000吨捷克产自由锻水压机进入90年代后老化严重,基本失去生产能力。

近年来,我国的三代核电、大型运输机和先进航空发动机等工程的实施更是使得我国的锻压产业面临巨大的考验,现有的设备和技术能力无法保证设备制造,提升锻压行业装备水平成了刻不容缓的目标。

A350的机身结构剖视图,现代大型飞机的的主梁、大跨度复杂隔框和起落架支柱等承力部件都是依靠锻压机来进行毛坯的制造的。
夭折的中国运10客机,由于当年锻造能力薄弱,运10被迫使用多段较短的承力结构相连充当主梁。虽然运10成功试飞,但这种设计是无法达到商用标准的。

我国近年大型锻造设备发展呈井喷态势

正在锻造中的三峡升船机螺母柱毛坯。该项目加工成功标志着国内大型锻造件实现了批量加工。

鉴于我国国民经济发展对于重型锻造设备需求的不断增加,增加大型锻造设备成为了必然,在这个情况下,富拉尔基第一重型机器厂、德阳第二重型机器厂和上海电气集团上海重型机械厂等传统重型设备制造商纷纷开始设备更新计划,而中信重工等新兴企业的步伐也不落后。

自由锻造水压机首先取得突破

2002年12000吨水压机立柱裂断事故发生后,第一重型机械厂决定投资1.5亿元,新建一台当时世界最大的1.5万吨自由锻造水压机,并于2006年12月30日建成投产,使钢,加工能力由300吨跃升到600吨。利用这台自由锻水压机,一重制造了世界上有史以来最大的铸锻件——出口韩国的大型5米轧钢机机架,铸造重量超过560吨,精加工后的成品重量超过410吨。

捷克造水压机失效后,2005年10月,第二重型机器厂决定自行设计建造一台当时世界最大的16000吨自由锻造水压机,并于2008年2月21日试生产,使得二重成功制造出我国首套1000兆瓦核电半速转子、成为我国唯一一家全套供应70万千瓦级三峡水利发电机铸锻件企业,今年开年,二重再次取得一系列突破性成就:钢锭重达550吨至600吨的核电常规岛超大型1100兆瓦核电半速转子在中国二重已形成批量制造能力,在世界核电常规岛极限制造领域实现了历史性“一跃”;作为国家级科研课题1400兆瓦核电半速转子的研制正在中国二重加紧开发,工艺方案制订的难关实现突破;三峡升船机螺母柱、埋件研制取得重大突破,螺母柱、埋件实现了批量供货,螺母柱的安装检测在国内首次运用了摄影测量技术。

中国第二重型机械集团公司安装中的8万吨级多向模锻水压机。建成后将用于加工今年正式投产国产大型军用运输机的部件毛坯。

世界最大模锻水压机今年建成

2006年,第二重型机器厂投资18个亿,开始研制专题导语里提到的8万吨级大型多向模锻水压机。这部世界最大的模锻水压机按计划会在今年上半年安装调试完毕,用于制造今年正式投产国产大型军用运输机的主梁、大跨度复杂隔框和起落架支柱等零件毛坯。可以预见,未来第二重型机器厂将在航空领域取得更大发展。同时第一重型机器厂、西安三角航空科技也将建造8万吨模锻水压机,当前西安三角航空科技2007年投入使用的4万吨模锻水压机是我国最大的模锻水压机,承担了大量的航空产品锻造任务。

在油压机方面,2004年底,上海重机厂为适应市场发展,决定建造一台当时世界最大的1.65万吨自由锻造油压机,并委托中国重型机械研究院等单位负责结构设计,由上重自行建造。这台大型水压机于2009年6月建成投产,这台锻机为我国解决了二代+型100万千瓦级核电站压力容器锻造问题,也开始进入第三代核电压力设备制造领域,以及特大功率船用低速柴油机曲轴国产化问题,大幅度提供了母公司上海电气集团制造电站设备和船用设备的能力。同时多台大型油压机也相继投产,中信重工去年也建造了世界最大的1.85万吨自由锻油压机。等温锻机将在未来有较大幅度的建设,为航空发动机的涡轮盘等提供最好的锻造环境。未来国产大型航空发动机热端核心部件产量将会进入一个高速发展的井喷期。

中国国产未来大型军用运输机想象图。军用大型飞机使用条件苛刻,其主梁、大跨度复杂隔框和起落架支柱等承力部件必须使用大型水压机锻造加工才能满足使用要求。
油压机吨位较小,但压力稳定,适合用来锻造精密部件。比如图中涡扇发动机的涡轮盘。太行发动机早期故障频繁的原因之一就是当时国内油压机技术不成熟,被迫使用水压机加工涡轮盘,造成零件质量低劣。

国产大飞机一直是民众关注的焦点,不少人曾为运10扼腕痛惜。但以过去我国大型金属件锻造产业的落后状况,运10是不可能获得成功的,最近几年研发的C919大型客机也只有30%零部件为自主研发。随着多款大型锻造压机的相继建成,我国从今年起才算完全具备大型客机、军用运输机的制造能力。

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