干货！解析高端锻造的工艺、核心应用、前沿技术和发展趋势

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干货！解析高端锻造的工艺、核心应用、前沿技术和发展趋势

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高端锻造作为现代装备制造中的关键技术，其生产的零部件在航空航天、国防、交通运输和能源工业等领域发挥着至关重要的作用。本文将为您解析高端锻造的基础工艺、核心应用、前沿技术及其发展趋势。

高端锻造的基础工艺解析

锻造是金属在固态下通过外力作用发生永久性塑性变形，从而获得所需形状、尺寸与性能零件的加工方法，常与冲压工艺合称为锻压，以锭料或棒料为坯料的锻压即为锻造。而铸造则是将熔炼后的液态金属，在重力、压力、离心力或电磁力等外力场作用下充满铸型，凝固后形成铸件。

这两种工艺在现代装备制造中均具有不可替代的作用，锻造后的金属组织致密，力学性能优异，常用于承受重载和冲击载荷的零件制造；铸造则能制造出形状复杂、内腔结构精细的零件，适用范围极为广泛。

自由锻：借助简单工具对铸锭或棒材进行墩粗、拔长、弯曲、冲孔、扩孔等操作，以生产零件毛坯。这种工艺灵活性高，适用于单件小批量生产以及大型锻件的制造，但生产效率相对较低，对工人技术水平要求较高。
模锻：金属坯料在具有特定形状的锻模膛内受压变形，从而获得锻件。模锻生产效率高，锻件精度好，能够实现批量生产，广泛应用于汽车、航空航天等行业中对形状和尺寸精度要求较高的零件制造。
环锻（环形轧制）：借助环机使环件产生连续局部塑性变形，实现壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形。在航空发动机机匣、导弹舱体结合环等零部件制造中具有独特优势，能够生产出高性能的无缝环件。

高端锻造在关键领域的核心应用

在航空领域，锻件是飞机骨架的主要承力构件，其重量约占飞机机体结构重量的 20% - 35%。飞机的框、梁类结构件，如舱门门框、风挡边框、机翼连接件、机身承力框等，均采用锻件制造。飞机起落架系统结构件同样大量依赖锻件，其占飞机总重量的 3.5% - 5.0%，占飞机结构重量的 15% - 20%。

这些锻件承受着起飞、着陆、滑行和停放时的巨大载荷，对飞机的安全性和可靠性起着决定性作用。现代大型民机和直升机的众多关键部件都离不开高精度、高强度的锻件。

锻件在航空发动机中的应用比重也极高，约占发动机结构重量的 30% - 45%。其中包括环形锻件，如机匣、安装边、封严环等，它们在发动机中起包容、连接、支撑等关键作用；盘锻件，如压气机盘和涡轮盘；叶片锻件，如风扇叶片、压气机动叶和静叶等。这些锻件需要在高温、高压、高速等极端工况下稳定运行，对材料性能和锻造工艺要求极高。

高端锻造的前沿技术突破

大型复杂构件整体精密锻造技术通过整体锻造成型的方式，将原本多件组合的工件一体化，显著减少了零部件和连接件的数量，提高了零部件的可靠性。以飞机承力框构件为例，传统多段组合框改为整体框后，不仅避免了螺栓连接或焊接连接的薄弱面，减少了应力集中源，提高了抗疲劳和抗应力腐蚀性能，还能通过优化设计减轻飞机结构质量，提高结构效益。

国外在航空装备生产中已广泛应用钛合金整体成型技术，如美国 F - 22 战斗机的部分承力隔框采用整体精密热模锻造技术，其锻件投影面积达 4.06 - 5.67m²，其中机身整体隔框闭式模锻件投影面积更是达到 5.67m²，为世界最大的钛合金整体隔框锻件。

俄罗斯安 - 22 运输机通过该技术生产隔锻件，减少了大量零件，减轻了飞机机体重量。大型航空关键构件由于外形尺寸大、材料变形强度高，模锻成形时需巨大的变形压制力，美、俄、法等国早在 20 世纪就研制出 400 - 750MN 的巨型压力机设备，我国也拥有多台大型锻压机，为高端航空锻件的生产提供了有力支撑。

精密环轧技术是生产高性能无缝环件的首选工艺，在航空、航天、船舶、兵器等军工领域广泛应用。发动机机匣、安装边、导弹舱体结合环等均由辗轧环件加工而成。径 - 轴双向轧制作为一种精密环轧技术，在径向轧制基础上增加轴向端面轧棍，可同时对环件的径向和轴向进行轧制。

这种工艺能够改善轧制环件的端面质量，轧制成形复杂截面轮廓的环件，使径向轧制产生的环件端面凹陷得以修复平整，并获得复杂的截面轮廓形状，有效提高了武器装备的性能水平、使用寿命和研发能力。

在锻造具有薄腹板、高肋和薄壁等特征的零件时，传统锻造工艺面临诸多挑战。由于毛坯温度易向模具散失，导致变形抗力迅速增加，塑性急剧降低，不仅需要大幅提高设备吨位，还易造成锻件开裂。超塑性等温锻造技术则有效解决了这些问题。在锻件成形过程中，材料处于超塑性变形状态，变形抗力大幅降低，单位压力仅为常规热锻的 1/5 - 1/10，可采用更小的设备成形同等尺寸的锻件。

超塑性等温锻造技术显著提高了材料的变形性能，能够在较低载荷下成形出高质量、高精度的复杂锻件，尤其适用于高温合金和钛合金等难加工材料的锻件制造，对提高航空航天发动机等关键部件的性能具有重要意义。

粉末锻造是粉末冶金与精密模锻相结合的创新工艺。以金属粉末为原料，经冷压成形、烧结、热锻成形或由粉末经热等静压、等温模锻等工序制成精密锻件。与一般粉末冶金制件相比，其通过后续处理可使制件相对密度提高至 98% 以上，有效解决了粉末冶金制件孔隙多、致密度差的问题，兼具粉末冶金和精密模锻的优点，在高端零部件制造中具有广阔的应用前景。

我国高端锻造行业的发展现状与展望

我国锻造行业产量多年位居世界首位，自 2013 年起，锻件总产量长期维持在 1000 万吨以上。然而，企业平均产量较低，国内骨干锻造企业数量虽有 460 家，但规模效应尚未充分发挥。“十三五” 期间，我国在锻造设备方面取得了重大突破，拥有了如 800MN 模锻液压机、300MN 等温模锻液压机等世界顶级吨位且技术含量高的先进锻压设备，极大地提升了我国锻造技术的研发和生产能力。

但在整体技术水平、产品质量稳定性以及高端产品占比等方面，与国际先进水平仍存在一定差距，尤其是在高端航空航天、国防装备等领域的关键锻件制造上，部分核心技术仍有待突破。

随着劳动力短缺和人工成本增加，以及市场对锻件质量和生产效率要求的不断提高，我国锻造行业正加速向自动化生产方向转型。近年来，基于自动化技术的锻造生产线不断涌现，如以螺旋压机为主的机器人自动化组线技术在中小型锻造企业迅速发展，以热模锻压力机为主的国产步进梁输送系统自动化技术也取得了突破性进展。