未来锻件制造，路在何方？

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文/H.-W.瑞德博士·prosimalys GmbH

锻造是制造业里一个重要的生产过程，为汽车、航空航天和许多行业提供了产品支持。近几年来，锻造技术和锻造行业一直在高速发展中。目前，随着客户和法律法规要求越来越高，这种发展就更加高速了。锻造企业必须关注许多方面，如：成本、全球化、可持续性、轻量化设计、材料以及锻造仿真等。锻造企业要想成为优秀的供应商，需要迎接这些方面的挑战。

锻造是最古老的生产技术。在材料被铸造、轧制、机加工或3D 打印之前，黄金、陨石铁等原生金属就被锤打成需要的形状。同时锻造被证明是一种战略性制造技术，通过协调材料高强度和高延展性的关系，创造卓越的材料性能，实现很高的疲劳强度和韧性。尽管历史悠久，但随着不断出现的新技术和要求，锻造一直经历着高动态的变化。以下将讨论最有趣的几个方面。

成本

锻件的成本优化一直是其发展的重要驱动力，特别是对于汽车行业的供应商而言。优化锻造成本的因素有以下几个方面：

人工成本与机器成本的对比。

在这里，我们看到了自动化的明显趋势。虽然自动化设备和相关工艺开发会使成本增加很多，但是相对于由此带来的劳动力成本的降低，自动化生产还是很快被证明是经济的。即使在中国这样以前人工成本低的国家，也有明显的自动化趋势。有趣的是，我们仍然在瑞士和德国等人工成本高的国家看到有手工锻造。所以，自动化程度也取决于产品种类和其他许多外部因素。

材料利用率由以下这些因素决定。

锻造工艺的材料利用率(热锻件飞边，精密锻造的程度)。通过预成形工艺可以提高材料利用率，在热锻中实现更小的飞边。通过从热锻转向更精密的锻造方法，如热锻结合冷精整、温锻或冷锻，也可以提高材料利用率。这种方法在很大程度上取决于精确的锻件几何形状和锻造材料。有限元仿真对优化材料利用率有很大的帮助。

工艺质量由不良率衡量。许多因素影响着不良率。锻造工艺的成熟设计，辅以有限元仿真，可以降低不良率。明确定义的作业规范，技术和生产人员的沟通、理解、认可和执行，决定了不良率。另外，锻造设备的高质量运行才能保证工艺的稳定，从而降低不良率。

其他成本，其中一些可以与供应商谈判(材料，辅助材料比如润滑剂)，其他一些成本则由当前的市场趋势和环境条件(能源，劳动力)决定，也都会影响成本构成。然而现实中，压低供应商的价格是采购经理的通常做法。更聪明的策略是与供应商合作，如何以更少的、更合适的材料达到产品性能要求，从而实现共赢的发展。这当然需要双方都有更高的技术能力来合作，但这比单纯的讨价还价的获利好得多。

全球化

过去几十年，全球化都主要集中在将生产从高成本国家转移出去。美国需求的锻件在印度、中国、韩国和墨西哥等地生产。在欧洲，是从东欧国家采购，也从亚洲采购。日本锻造产业也转移去了中国、泰国和越南。现在，这一趋势似乎有所逆转。由于新冠疫情期间的物流情况，我们看到了一种本地化趋势：过去被认为是低成本的国家被证明并不总是可以提供最佳的整体成本，因为存在海外供应商交付延期导致的本地生产线停机的时间成本。这也印证了过去的一个见解：只考虑采购成本的所谓最佳成本国家，对于客户来讲，可能并不是真正成本最佳的国家。语言和文化沟通的困难，不时需要的前往海外工厂去处理质量问题的出差，加上疫情感染风险，企业现在开始考虑扭转过去的海外生产的做法。这样一来，以前被认为是“低成本”的国家也必须评估和提高它们可以提供的产品的质量和附加值，以抵消这种本地化的转变，从而获得客户长期忠诚度。

可持续发展

锻造仿真计算

锻造过程的数值模拟：出于成本、时间和可靠性的原因，没有仿真帮助的锻件开发已经变得不可想象。现在，新的仿真软件系统不断降低技术和成本门槛，可以让中小企业也能够使用了。同时，直观、强大和快速的仿真系统也让大企业的产品开发更有优势。锻造仿真在学术研究里已经发展了大约30 年。在锻造行业里领先的公司中也有20 年了。如今，大多数锻造企业每天都在应用有限元工艺仿真。锻造仿真领域目前有许多发展，其中一些是：

在云中进行模拟计算，而不需要在现场投资硬件。

自动生成预锻件尺寸，提出和验证锻造工艺流程。

将材料微观组织结构状态包括到锻造模拟中。与以前不同，流线不再是仿真的基础，而是材料的流动应力，它基于位错密度、组织改性优化、再结晶和晶粒尺寸(这也是动态计算的)。

轻量化设计和材料

锻件的轻量化设计一直是重要的，特别当产品作为运动件，运用在经常加速和减速的工况里。在这些应用中，更高的工件重量意味着更高的能耗。德国汽车行业协会牵头的、多家主机厂和供应商参与的项目“Lightweight Forging Intiative in Germany 锻造轻量化行动”已经提出了许多可行的样本方案，介绍锻造工艺和材料开发如何为锻件轻量化作出贡献。笔者是该项目的牵头人。客户对优秀锻造供应商的期望是，还在客户产品前期开发阶段，就能够主动提供基于更优化的几何尺寸或材料性能的、轻量化的锻件产品。

尽管钢材的种类已经不少，但用于锻造的新钢材还是不断被开发出来，这些钢材可以为减少二氧化碳排放、降低成本和轻量化设计等作出巨大贡献。目前有一个很大的趋势是省略热处理工艺。这主要涉及使材料达到最终状态的热处理，如淬火和回火处理。比如，在热锻或温锻后转化为贝氏体或马氏体的风冷钢已经有了，并越来越多地得到使用。此外，冷锻之前的热处理也可以更简单，或者通过选择合适的钢材，亦或是与钢厂合作开发特种钢材，而可以完全省略。为了找到优化方向，必须对炼钢工艺、锻造工艺、材料性能以及锻件产品性能要求进行透彻的了解。

结束语

为了保持竞争力，提高实力和效益，持续的技术发展是必要的。有了合适的材料、设备、模拟仿真能力，如果再有对行业有深刻了解、可以带来最新锻造产品和工艺技术的外部技术咨询伙伴的支持推动，这些挑战是可以从容应对的。

——文章选自：《锻造与冲压》2022年第7期