熱鍛模具全壽命周期的成本管控措施

文／李玉田，潘浩，郭建春，李業(yè)兵，徐飛·金馬工業(yè)集團(tuán)股份有限公司

影響鍛件成本的因素主要有鍛件原材料、能源、人工、模具、設(shè)備折舊等費(fèi)用，對(duì)于中小型熱鍛件，模具成本占鍛件總成本的3%～8%。因此，控制模具成本是降低鍛件成本的一項(xiàng)有效措施。本文以某型鏈軌節(jié)為例，闡述了模具全壽命周期各階段應(yīng)考量的綜合管控措施，使模具費(fèi)用和模具壽命達(dá)到合理匹配，從而實(shí)現(xiàn)降低單位鍛件模具成本的目的。

單位鍛件模具成本

生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中，企業(yè)通常關(guān)注模具全壽命周期內(nèi)所生產(chǎn)的合格鍛件之和與因模具而發(fā)生的所有費(fèi)用的比值，其中，模具全壽命周期內(nèi)所生產(chǎn)的合格鍛件之和是指自模具投產(chǎn)開始，到模具主體無(wú)修復(fù)價(jià)值為止，所有班次所鍛鍛件的總和(應(yīng)減掉因模具失效而造成不合格品的數(shù)量)；模具全壽命周期內(nèi)因模具而發(fā)生的所有費(fèi)用包括初次投入、每次修復(fù)、更換配件和模具保養(yǎng)發(fā)生的費(fèi)用。

模具費(fèi)用包括主材(模具鋼)、輔助材料和配件，如焊材、石墨塊、線切割用鉬絲、工作液、拋光料、各種配件等；能源包括電、燃料、壓縮空氣；刀具包括銑刀、車刀、鉆頭、絲攻；折舊或分?jǐn)偘ㄔO(shè)備、工裝、工具、設(shè)施的折舊或分?jǐn)偟?；其他費(fèi)用包括人工成本、檢測(cè)費(fèi)用、管理費(fèi)用、設(shè)計(jì)(試驗(yàn))費(fèi)用、外部協(xié)作費(fèi)用等。此外，模具費(fèi)用應(yīng)減掉模具再利用及廢料回收的殘值，特別是對(duì)于錘鍛模具等較大模具，其殘值在成本核算時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮費(fèi)用分?jǐn)偅绻阉匈M(fèi)用分?jǐn)偟浆F(xiàn)有產(chǎn)品中，會(huì)導(dǎo)致模具費(fèi)偏高。某型鏈軌節(jié)成本構(gòu)成明細(xì)如表1所示。

依據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制鍛件單位成本變化趨勢(shì)曲線，從圖1可以看出，當(dāng)鍛件少于1.5萬(wàn)件時(shí)，隨著鍛件總量的增加，單位鍛件模具成本急劇降低；當(dāng)鍛件為(1.5～6)萬(wàn)件時(shí)，隨著鍛件總量的增加，單位鍛件模具成本變化比較明顯；當(dāng)鍛件大于6萬(wàn)件時(shí)，隨著鍛件總量的增加，單位鍛件模具成本基本無(wú)變化；當(dāng)鍛件大于10萬(wàn)件時(shí)，兩種模具材料單位鍛件模具成本，基本無(wú)差別，因此，當(dāng)鍛件數(shù)量少時(shí)，應(yīng)妥善分?jǐn)?、控制模具初次投入費(fèi)用，并考慮如何降低模具費(fèi)用；反之，當(dāng)鍛件總量大時(shí)，模具初次投入費(fèi)用影響不大，應(yīng)重點(diǎn)考慮模具壽命。

圖1 鍛件單位成本和數(shù)量關(guān)系圖

表1 某型鏈軌節(jié)成本構(gòu)成明細(xì)

某型鏈軌節(jié)模具單位鍛件成本變化趨勢(shì)如圖2所示，從圖2可以看出，曲線上升階段是模具焊接工序，有成本增加趨勢(shì)；下降階段是模具下落工序，有成本下降趨勢(shì)，因此，在模具修復(fù)過程中，應(yīng)該減少模具焊接次數(shù)，增加下落次數(shù)，建議采用(X+1)模式修復(fù)，不必每次修復(fù)時(shí)都實(shí)施焊接。

模具設(shè)計(jì)階段

模具材料應(yīng)考量?jī)r(jià)格、使用性能(特別是耐熱性)、加工性能、可修復(fù)性?？尚迯?fù)性差會(huì)大幅提高模具成本。熱處理應(yīng)考量設(shè)備選型，如普通箱式爐、鹽浴爐、真空爐。真空淬火是目前模具處理的主流，用真空爐加熱和用高壓氮?dú)獯慊?，能?shí)現(xiàn)加熱和冷卻的全程可控，提高模具硬度均勻性，從而減少開裂和內(nèi)應(yīng)力。表面處理應(yīng)考量工藝選擇，如表面強(qiáng)化(激光淬火)、表面變性(滲N、滲B)、表面涂層。

圖2 某型鏈軌節(jié)模具單位鍛件成本變化趨勢(shì)

模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分利用鍛件公差和模具失效規(guī)律，控制模具上、下邊界尺寸，合理選取R角，提高模具壽命。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意合理選用整體模和組裝模，回轉(zhuǎn)體模具適合用組裝模。必須重視頂料設(shè)計(jì)，因頂料好壞直接影響模具壽命，盡量少用人工撬料。應(yīng)論證預(yù)、終鍛的必要性和經(jīng)濟(jì)性，增加預(yù)鍛工序能延長(zhǎng)模具壽命，但會(huì)降低鍛件班產(chǎn)量，需全面權(quán)衡利弊。

模具制作階段

材料選擇

選擇基體材料的關(guān)注點(diǎn)是有益元素的含量，如鉻、鉬、鈦、釩、鎢等的化學(xué)成分含量是否足夠(不僅是合格)，有害元素去除是否充分，是否電渣重熔，是否經(jīng)超細(xì)化處理，是否三向鍛造且鍛造充分(圖3)，球化退火是否充分。

成形方法

成形方法主要有減料、增料、鑲嵌等方式。對(duì)于失效嚴(yán)重的局部，可以采用局部鑲嵌。各類較小的凸起，如模具鎖扣適合采用增料方式，用不易產(chǎn)生裂紋的較低硬度焊絲焊接，在易磨損面用硬度較高的焊絲熔覆，模具型腔中易失效的凸起適合采用增料或鑲嵌方式。

工序編制

一般的工藝流程為粗加工→熱處理→精加工→表面處理，可以采購(gòu)已熱處理的模塊直接加工成形，但刀具費(fèi)用會(huì)大幅增加，若選用這種工藝，加工過程中應(yīng)增加至少一次去應(yīng)力回火，防止模具變形甚至開裂。

圖3 H13鋼鍛造不充分導(dǎo)致模具早期失效的金相組織

模具使用階段

裝模質(zhì)量

模具墊板不平，易出現(xiàn)模具橫向斷裂，特別是長(zhǎng)模塊更明顯；裝模時(shí)要求模具對(duì)齊，固定牢固，鍛造時(shí)不得發(fā)生移動(dòng)，若模具對(duì)不齊，鎖扣易斷裂。模具預(yù)熱應(yīng)均勻、充分，最好用火焰加熱，選用多個(gè)噴頭同時(shí)加熱效果好；用加熱料塊預(yù)熱模具對(duì)模具損害較大，且很易出現(xiàn)預(yù)熱不均勻。

試模方案

試模方案優(yōu)劣影響模具壽命，熱模鍛壓力機(jī)試模的3個(gè)原則：厚度應(yīng)先厚再薄，坯料先小后大，嚴(yán)防粘模。即使只發(fā)生一次粘模，也會(huì)對(duì)模具造成很大損害。改善措施為：除正常頂料外，對(duì)試模的頭幾件，在上、下模腔內(nèi)蘸適量機(jī)械油和石墨的混合物，石墨起潤(rùn)滑和隔熱作用，油受熱后氣化，體積瞬間膨脹，產(chǎn)生一定的爆破效果，產(chǎn)生的爆破力有利于鍛件出模，一般3～5件后，恢復(fù)正常潤(rùn)滑就可以了。

模具冷卻和潤(rùn)滑

控制冷卻強(qiáng)度、均勻性，關(guān)注冷卻介質(zhì)冷卻、潤(rùn)滑特性，黑色石墨介質(zhì)有較好的效果，但污染嚴(yán)重。焊接模具后嚴(yán)禁過度冷卻，否則易產(chǎn)生龜裂，盡量采用自動(dòng)冷卻，實(shí)現(xiàn)冷卻均勻、穩(wěn)定。

模架質(zhì)量

模架工作面平面度差，如中間有磨損、凹陷，模具易產(chǎn)生中間斷裂。模架工作面不水平，鍛造時(shí)模具會(huì)發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)致鎖扣發(fā)生斷裂。模架在受鍛造沖擊力時(shí)，垂直方向發(fā)生較大彈性變形，由于設(shè)置頂料，在模架底面增加用以安裝頂料部件的空槽，會(huì)大大降低模架工作面的強(qiáng)度，受以上雙重影響，導(dǎo)致模架壽命降低的同時(shí)，也降低了模具壽命。

鍛造過程的連續(xù)性

若生產(chǎn)不連續(xù)，經(jīng)常生產(chǎn)中斷，模具被反復(fù)加熱和冷卻，會(huì)降低模具壽命，所以應(yīng)盡量減少中斷次數(shù)。控制坯料在模具表面的停留時(shí)間，停留時(shí)間越短模具壽命越長(zhǎng)?？刂棋懠谀Ｇ粌?nèi)停留時(shí)間，頂料需及時(shí)，延遲時(shí)間要盡可能地縮短。

修復(fù)和維護(hù)階段

模具修復(fù)方法有下落、焊接增料。最好選用(X+1)模式，即下落X次焊接一次(圖4)，讓返修模式固定化。

更換或配件修復(fù)應(yīng)達(dá)到原設(shè)計(jì)要求，很多情況下由于產(chǎn)生磨損或局部變形，更換配件后，壽命會(huì)大幅降低。修復(fù)時(shí)應(yīng)檢測(cè)變形量，根據(jù)實(shí)際失效情況修復(fù)。

焊接方法有三種，一是注滿法，其特點(diǎn)是焊接速度快，消耗焊材多；二是仿形法，其特點(diǎn)是省焊材，但操作復(fù)雜，易產(chǎn)生夾雜、氣孔、微裂紋等缺陷；三是局部注滿法，其特點(diǎn)是又快又省，有時(shí)需用輔助焊具。對(duì)較小的局部缺陷可用高鈷焊材，不需要預(yù)熱直接進(jìn)行焊接，焊后修磨即可使用。

圖4 (X+1)模具焊接修復(fù)模式示意圖

對(duì)需過盈配合的模具應(yīng)控制過盈度，因用過一次的孔會(huì)發(fā)生變形，更換后過盈度會(huì)降低(特別是產(chǎn)生了錐度后，尺寸很難控制)，導(dǎo)致模具壽命降低。因此，最好每次使用后，加工一次孔，以保證過盈度穩(wěn)定。

項(xiàng)目產(chǎn)品結(jié)束后模具的處置

項(xiàng)目產(chǎn)品結(jié)束后，模具最好的處理方式是能改作它用，特別是對(duì)新鍛件的型腔大于現(xiàn)有型腔的模具，可直接加工，符合新要求即可；對(duì)局部或全部型腔不夠加工的部分，可以經(jīng)局部或全部焊接后，再加工利用。其次是直接利用部分可用材料，如，大模具切割成小模具，小模具可改為切邊模、沖頭或其他小配件。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，模具費(fèi)用與模具壽命密切相關(guān)，二者既相互制約又相輔相成。盲目降低模具各種投入，來減少模具費(fèi)用，可能導(dǎo)致模具壽命異常降低，并不能降低單位鍛件模具成本，相反，可能導(dǎo)致單位鍛件模具成本升高；同樣，盲目加大模具投入，導(dǎo)致模具費(fèi)用過高，而由于各種原因，模具壽命并沒有得到相應(yīng)的提高，也可能導(dǎo)致單位鍛件模具成本升高。因此，必須在模具全壽命周期內(nèi)，對(duì)影響模具費(fèi)用和模具壽命的因素全面研判，采取綜合管控措施，做到最佳匹配，才能降低單位鍛件模具成本。