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访问美国航空材料和锻件生产公司记实及点滴感想

基于我国航空锻造公司在国际市场上承担国外飞机、发动机制造公司大型锻件转包生产任务日益增多,而锻件用原材料,目前只能从按照适航条例规定,获得材料生产许可证资质的国外材料生产供应商购买。所以相当长的时期以来,我国航空锻造公司从国外(主要是美国)累计进口了数以万吨的高温合金、钛合金、特殊钢原材料用于转包生产锻件;同时,基于原材料与锻件之间在组织、性能、工艺、质量、交货进度以及经济可承受性等诸多方面,相对于最终用户——飞机、发动机制造公司而言,原材料和锻件生产商两者是利益攸关共同体,彼此在技术、质量(含检、复验方法及标准认知)方面和商务操作方面都有必要进行充分交流和沟通,双方各自在“做好材料”和“做好锻件”的基础上加强合作,才能为飞机、发动机制造公司提供满意的符合用户技术标准的质优价廉的模锻件。

有鉴于此,经过同美国有关材料、锻造公司磋商并在他们大力协同下,中国锻压协会航空材料成形委员会组织国内从事航空锻件转包生产的、不同所有制经济成分的锻造企业,先后访问了美国两个材料公司和一个锻造公司。

访问记实

Special Metals Company(SMC / PCC) 特殊金属公司位于纽约州纽哈福特,SMC 与分布在西弗吉尼亚州亨廷顿和英国海利福特的工厂,组成了SMC国际镍合金集团,它是全球领先的镍基合金研发及生产者,而同为PCC(Precision Castparts Corp.) 集团属下的TIMET 公司则是全球著名的钛合金研发及生产者。据介绍:全球目前主要高温合金产品中有80%是SMC 公司研发出来的,包括镍基合金、镍铬基合金、钴基合金等。其主要开发产品的商标包括:Nickel、Incoloy(基体加入Fe 元素的高温合金)、Monel、Nimonic 和Udimet 等,材料牌号可为工业界提供最为广泛的产品组合。

SMC 公司主要产品为高温合金原材料及回收再生材料,产品种类包括:铸件、锻件、板材、棒材及紧固件丝材等,应用领域涉及航空、动力/能源、军用、商用及医疗等。

SMC 主要分厂有两个:

⑴位于New Hartford 的熔炼工厂,主要参观了冶炼车间和棒料、坯料探伤及后处理车间和部分理化检测试验场所。熔炼车间都有几十年的历史,车间内的设备显的比较陈旧,布局也比较拥挤。但现场任务量非常饱满,各种中间工序半成品非常多,工人按标准规程生产,忙而井然有序。冶炼车间设备购自德国ALD 和美国CONSARC 公司,主要有电弧炉、空气感应炉和真空感应炉(VIM)、精炼设备包括氩氧脱碳(AOD)、真空自耗(VAR)和电渣重熔(ESR)。熔炼设备非常齐全,数量也比较多,可满足不同产品的质量和数量需求,现场各类工装辅具种类繁多,根据不同工艺的需要配置。据称,NewHartford 工厂配有世界最大的VIM 熔炼炉,能够生产最大45000 磅(约22t)重的铸锭,现场同时配备多台ESR 和VAR 熔炼炉,能够实现高温合金VIM+VAR两联工艺和VIM+ESR+VAR 三联工艺的熔炼生产。

航空用IN718 合金采用的是三联工艺,铸锭能做到φ 600 ~ φ 660mm 左右。现场看到的每一炉次的铸锭表面质量都比较好,氧化皮比较均匀。结晶器锭模采用特殊工艺处理(具体不详),故生产的铸锭表面很光滑,目视未见鱼鳞状表面缺陷。在铸锭剥皮的每台车床旁边配备一个废料回收箱,现场看到的废料回收箱标识为:718HC,另一个标识为718LC,HC 和LC分别意味着高碳和低碳,说明厂里对该牌号废料回收不仅按照材料牌号,还以含碳量高低细分。由此足见:公司对回收再生材料极为重视,不仅从产生废料的源头开始,而且在回收的技术细节上加以科学区分和严格管理。

⑵ Dunkirk 工厂,Dunkirk 工厂为SMC 的锻造分厂,主设备为4500t 自由锻快锻压机,该设备配有2 个12.5t 双向GLAMA 有轨机械手,能够实现最大直径为1000mm 铸锭开坯锻造及厚板锻造,同时配备了CNC 控制的GFM55 径锻机,能够实现最大直径550mm 铸锭的精锻生产,生产的锻棒最小直径能够达到100mm,生产的锻板宽度在100 ~ 305mm。Dunkirk 工厂现场配有21 台现代化的天然气加热炉,且均按照AMS2750 标准进行校检验收。

航空用IN718 产品:目前能够为航空应用提供最大直径为660mm 铸锭以及直径范围为100 ~ 350mm棒材,棒材UDT 检测水平为5 级(0.8mm 平底孔),航空用718 产品的平均供货时间为13 ~ 26 周。

SMC / PCC 和TIMET / PCC 同我国航空锻造企业和中国商飞(钛合金)已有多年的合作历史,是我镍基高温合金和钛合金原材料重要的供应商之一。此访SMC/PCC 受到公司多位高管热情接待;期待同我航空锻造企业密切合作,他们努力“做好材料”,我们努力“做好锻件”,携手服务好飞机、发动机制造公司。

ATI SM(Special Materials), 该公司自成立以来已有60 余年的历史,公司几经资产重组变迁,发展壮大为全球以研发和生产宇航(Aerospace)用特种合金著名的重要公司之一,也是我航空锻造企业生产国外飞机、发动机锻件用原材料的主要供应商,双方友好合作已长达几十年。其主要产品有:镍基钴基高温合金、钛合金、不锈钢和特殊钢、锆基合金、钨基材料以及装甲材料等,净成形产品还有精密铸造、精密锻造、粉末冶金制件等。据介绍,ATI 公司下辖许多分公司,有专业的冶炼厂、锻造厂、轧制厂,还有专门生产油气行业用产品的制造厂。主要分厂包括:

⑴ Monroe Company 配有4500t 自由锻压机及GFM55 径向锻造机,只进行钛合金的锻造生产。

⑵ Bakers North Operation 配有多台规格不一的VIM、VAR 熔炼炉,主要进行钛合金铸锭熔炼生产,EB 炉在西部俄勒冈州Albany 的ATI SAC 工厂。

⑶ Lockport Operation 配有VIM、VAR、ESR 熔炼炉,主要进行各种高温合金及特殊钢的熔炼生产。另有VOD 是在匹兹堡的ATI FRP 工厂。

⑷ Bakers South Operation 配有10000t 自由锻压机及GFM70 径向锻造机,可以分别承制直径750mm、重量10t 以内的铸锭开坯和直径130 ~730mm 尺寸范围的铸锭精锻工作。

⑸ Richburg Operation 主要进行直径92mm 以下小口径细棒的轧制生产。

⑹ Sheffield Operation in UK(英国)主要给罗罗公司供应特殊钢,目前产品主要应用于油气领域。

访问ATI 期间, 团组仅参观了其中的BakersSouth Operation 锻造厂(,厂区分为三个车间,随主人引领、沿参观路线,先后经过锻坯机加和探伤车间→锻坯表面清理车间→锻造车间。观感如下:

⑴锻坯机加和探伤车间很大,设备不算新,但布局井井有条且保养良好;行车、工装、辅具非常多,但不显凌乱;现场非常干净、整洁,没有油污和散乱的铁屑;每台棒料机加车床旁都有专门的切屑回收装置,用白色的帆布类包装袋包装,便于回收及重熔利用。偌大的厂房,现场工人并不多。据介绍,这个机加车间大概是10 个工人编制,一个工人可以管控几台机床。“文明有序生产、废料(切屑)回收再用、讲究效率效益”令人印象深刻。

⑵锻坯表面清理车间紧挨着锻造车间,有自动化专门运输装置和锻造车间相连,锻坯可直接从锻造车间流转运输过来,流转节奏快、效率高。车间现场有两台自动化打磨设备,也有人工打磨方式。出于环保的考虑,打磨设备有外围防护罩遮住,用于防止打磨粉尘的外溢。

ATI 公司产品以镍基高温合金和钛合金为主,均属于质量要求非常高的产品,表面不允许任何裂纹、折叠等缺陷。在锻造此类难变形、低塑性材料的过程中必须要不断地清理剔除表面缺陷。据介绍,在一个锻坯从钢锭到圆棒的锻制中,要经历4 次表面清理和打磨,以确保最终产品表面“零缺陷”。

⑶锻造车间共有两个跨,一个跨是径向径锻机GFM70,一个跨是10000t 下拉式锻造压机,中间用两排锻造加热炉隔开。虽然是热加工车间,但现场工艺布局比较科学,功能区分合理且互不影响,现场操作效率非常高,工作环境整洁,未见氧化皮、铁屑乱堆乱放等脏乱现象。现场看不到很多操作工人,自动化机械化程度高。ATI 的GFM70 径向精锻机属于快锻机,每分钟锻打次数近200 次,可多角度锻打,坯料两边夹持双方向自动喂料,效率非常高。在10000t锻造压机跨,压机侧面是一排锻造加热炉,有10 台左右。由于镍基高温合金和钛合金的加热温度高、炉温控制精度严格,锭(坯)加热时间长,加之原材料锻造有别于模锻件生产(批次、批量小),若想提高锻造材料的生产效率,必须配置足够数量的加热设备,以保证快锻压机连续生产。10000t 锻造压机操作时自动化程度高,和两台格拉玛(GLAMA) 移动操作机协调联动。从加热炉夹出料送到压机上锻造,有相应的工装辅具配合,操作程序基本相同,说明生产是按标准化程序进行的,既提高生产效率又利于产品质量批次的稳定性和一致性。

短暂的现场参观后,双方进行了简短的技术交流,与航空高温合金有关的技术讨论信息如下:ATI 可生产的最大铸锭为φ 750mm、重量10t;供我用高温合金材料是采用φ 600mm 铸锭,铸锭除在熔炼过程严格控制化学成分和偏析外,在铸锭锻制过程中还是要反复镦粗拔长,打碎柱状晶;另外就是我们看到的反复地对每一火次材料的表面打磨和清理,不能残留任何裂纹和折叠。最后,对经磨削呈光亮状的棒(坯)材按标准进行水浸多探头超声探伤(φ 300mm IN718合金棒材,按GE 标准平底孔直径0.8mm),防止有缺陷的产品出厂。燃气轮机用的Waspaloy 合金可提供最大直径为600mm 的Bingot(只保化学成分、不保性能)和两种规格饼坯。

ATI 研发的新材料IN718Plus 和Rene'65,均可供应。其中,IN718Plus 已经用于航空发动机转动件,可供最大棒材φ 400mm,但只保化学成分不保性能。

ATI 是我民用航空大型锻件(模锻件、环形件)原材料的重要供应商,为适应我国市场情况,除在上海备有材料库外,新的材料订单的交货期可以缩短至18 周,对于进一步加强双方合作、扩大中国市场份额充满期待。

Weber Metals Company(下称WEBER)隶属于德国OTTO FUCHS 集团公司,是一家专门生产铝合金和钛合金锻件的企业,其产品应用领域主要为航空航天工业。目前该公司航空锻件产品组成是:商用飞机占56%、发动机2%、军机占7%,未来会向航空高温合金转动件发展。公司现有员工650 人,2018 年产值3 亿美金。主要设备有自由锻压机1200t、1500t、1650t、3000t 和5000t; 模锻设备有3600t、5000t、12000t、35000t 和600MN 及其配套设备设施。其中600MN 下拉式模锻液压机是当今世界下拉式(Pulldown)压机中吨位最大的,由德国SMS / Meer 设计制造,压机设计构思精巧,精度和自动化程度高,工作台面3000mm×6000mm,共有4 个主缸和8 个平衡缸,工作行程2000mm,设备吨位可自由切换为200MN、400MN、600MN,压机设计的各项技术参数充分考虑了适用于不同材质锻件的工艺需要,该压机于2018 年10 月份正式投产。

WEBER 600MN 下拉式模锻液压机的建成投产,是世界航空锻造业界的又一喜事,展现出了WEBER对全球航空市场不断发展的预期和争夺领先地位的努力。中国锻压协会航空材料成形委员会应邀访问WEBER 公司,代表中国锻压协会向公司总裁CEO 递交贺信并同有关领导、技术专家进行交流,双方表达了多联系、多交流、合作共赢的共同愿望(图4)。

双方简单介绍后,到现场进行了参观。首先参观的是600MN 大型模锻压机现场(图5),由于是新建设备,厂房及有限的配套设施都很新,和老厂房紧紧相连,新旧对比明显。除大压机外,已建好了两台加热炉,各种辅助设备还在规划建设中。600MN 压机因为是下拉式结构,三分之二的设备主体和液压控制系统均布置在地下(图6),所以地面上看到的设备空间与万吨级别的压机相仿,车间的高度与一般厂房无异,不需要特别加高。厂房内现配置有9 台天然气加热炉,其中2 台用于模具预热,7 台用于锻件生产(锻坯、铸锭加热)。所见钛合金加热釆用旋转炉,即炉底可旋转的环形循环加热炉(环形加热炉),进出料口分设在炉体的两处。铝合金加热既有箱式炉也有旋转炉。

现场看到正在加工一种小型钛锻件,连续生产,有5 ~ 6 名工人,技术人员在场跟班,生产过程井然有序,各负其责。锻坯在环形加热炉内进行加热,装料和出料协调运作,实现连续生产,提高效率。装出料是两台可移动的(无轨)小型操作机,运行快捷灵活机动。产品模锻前,有专门的工人进行模具清理吹氧化皮,操作认真仔细,确认无异物后,工人用喷枪在模具型腔内喷涂润滑剂,应该是石墨类型,喷涂石墨润滑剂过程中,现场烟雾非常大,弥漫了整个车间上空。此情景与国内锻造现场相似,乃锻造行业共性问题,有待共同努力解决环境污染问题。

在600MN 模锻压机旁边,一套待用的模具正在用天然气进行烘烤,所用工装呈圆管状,圆管表面匀布小孔,工装极为简单实用,天然气明火直接烘烤模具型腔表面,以保证待用模具维持足够的温度,用于下一锻件产品生产。这种锻前烘烤模具的做法,可以提高生产效率并减少加热炉的占用。

在其他车间参观,可以看到现场锭坯、锻坯、半成品、成品非常多,以铝合金材料、锻件为主。模锻件飞边均匀,筋条充满度好,表面质量高。表明WEBER 公司在工艺设计和过程控制方面的技术水平是很高的。

现场看到很多钛合金铸锭(坯),据介绍:WEBER 公司钛合金锻件用原材料只采购钢厂的铸锭,然后根据自己所需的材料尺寸规格及其技术标准对铸锭进行锻造,直接制成锻坯(棒,预成形锻坯……)供模锻用。由此,可大大节约成本、提高生产用料的灵活性、缩短产品交货周期。但掌握铸锭的锻造制坯技术并非易事,需要具备材料领域的专家人才和生产经验,需要进行大量的铸锭锻造工艺研究,不断试验摸索锭坯的锻造技术并掌控其质量。

WEBER 公司及其母公司OTTO FUCHS 同我国航空工业的合作已有十余年,为我新舟700、ARJ21、C919 等在研、在产民用飞机提供了数十个件号的铝合金和钛合金自由锻件及模锻件。其中,C919 飞机7175 铝合金制旅客窗框精密模锻件堪称工艺精品。

点滴感想

航空材料是飞机、发动机更新换代的重要的技术物质基础之一,锻件则是用以制作飞机、发动机关键承力构件和重要承力构件的,是实现飞机、发动机长寿命、高可靠、结构减重、经济可承受性的基础和必要的条件。

美国作为世界综合实力最强大的国家,在航空材料及其锻件的技术发展上始终处于领先地位。美国拥有世界上最多最好的航宇材料和锻件生产企业,仅从同SMC/PCC、ATI、Weber Metals On OTTO FUCHS三个公司的短暂接触中,感觉到他们在技术研发创新、设备设施配套、生产组织管理、市场导向发展、遵从用户至上等方面,有许多先进的理念和做法是值得我们学习和借鉴的。

⑴所访问的三个企业都经历了市场竞争、资本运作、兼并收购(包括跨国兼并收购)做强做大的发展过程,形成了包括原材料、锻铸件、各类成品等最具实力的完整的产业链。这反映了目前全球大型制造企业整合优质资源、强身健体、不断发展壮大的动向。

⑵所访问的SMC/PCC、ATI 都是以研发生产高温合金、钛合金等高端材料著名的公司,紧盯市场——针对航空器今天、明天和未来的发展变化态势并同其密切合作,同有关高等院校、研究机构合作,不断创新新材料新工艺,研究改进老材料老工艺,支撑并满足航空器不断进步和更新换代的需要。与此同时,在硬件建设方面,形成了能满足不同使用性能和冶金质量要求的各种类型熔炼设备、锻造设备及其配套设施,拥有内控的工艺质量技术标准,生产操作按标准化程序运作,确保量产材料批次质量的稳定性和一致性。

⑶ SMC/PCC 和ATI 都极其重视材料循环再生利用,并且早已常态化。从铸锭车削剥皮及随后加工过程中,严格按材料牌号将切屑、料头料尾及其他废残料加以回收,经过处理达标后,作为返回料(添加比例不详)加入到同种材料牌号的材料熔炼并铸、锻成材,既节约战略性金属资源又降低材料成本, 既用于飞机结构件也用于发动机转动件和静止件。这或许是我国航材价格居高、市场竞争力弱的原因之一,是值得我业界高度重视的问题,应该加快研究解决问题的政策性措施与办法。

⑷这次在美国参观考察的三家公司,都是现代化的军、民用航空材料和锻件产品制造企业,工厂管理规范周密,环境良好整洁,特别是对前来现场参观的来宾的安全防护的要求非常仔细,要求严格。参观前,向来宾告之现场参观时的安全注意事项和要求,并同参观者签署保密协议。严禁手机、提包带入现场,禁止现场拍照。要求参观者必须穿戴为来宾配备的安全防护装备(衣、帽、鞋、眼镜、防聋耳塞),专用的劳保鞋还有专门的铁头防护。参观现场的路线是厂房设计时拟定的,三家企业均无一例外,既维护了所参观企业的合法权益,又为来宾参观现场提供了安全保证和人文关怀。细微之处足见是一种“管理”,“管理”是科学,“管理”出效益。

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