降低沖模零件材料成本的方法研究

程旺軍， 曾月， 孫耀寧， 崔棟棟

（1.新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆大學(xué) 機(jī)械工程博士后流動(dòng)站， 新疆 烏魯木齊 830017）

0 引 言

模具被稱為“工業(yè)之母”，其制造和應(yīng)用技術(shù)是現(xiàn)代制造行業(yè)的核心，模具制造技術(shù)已成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平的指標(biāo)之一[1-2]。模具是重要的工業(yè)設(shè)備，作為一種高效的生產(chǎn)工具，關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益以及新產(chǎn)品開發(fā)的周期[3]。模具按制造材料分為金屬模具和非金屬模具，金屬模具是由模具鋼材制造，沖模是其之一，主要包括模座、凸模、凹模及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，如圖1所示，適用于大規(guī)模生產(chǎn)，模具精度高、制造周期長(zhǎng)、制造費(fèi)用高，同時(shí)受生產(chǎn)設(shè)備限制，模具尺寸不能太大。非金屬模具主要應(yīng)用于小批量、大型和異形制品的制造，模具材料類型可按產(chǎn)品規(guī)格、數(shù)量等選用，一般選用石膏、水泥、石蠟、木材、硅膠等制造。簡(jiǎn)易模具也可采用復(fù)合材料制作且能多次使用，以達(dá)到降低模具制造成本的目的。

圖1 金屬?zèng)_模

模具制造過程中成本控制很重要，其主要目標(biāo)是控制費(fèi)用，并持續(xù)減少費(fèi)用。在模具設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中，材料的成本控制指設(shè)計(jì)者通過對(duì)各種因素和條件的調(diào)整和預(yù)防，以確保在不影響模具工作環(huán)境和工藝性能的情況下，盡量減少制造成本。沖模的成本一般由設(shè)計(jì)成本、加工費(fèi)用、材料成本、設(shè)備折舊費(fèi)用及不可預(yù)見費(fèi)用等組成，這些費(fèi)用在模具的成本中所占比重都不同，其中材料費(fèi)包括鑄件、鍛件、標(biāo)準(zhǔn)件、非標(biāo)件費(fèi)用，占比達(dá)40%，其次是外協(xié)費(fèi)用，占比達(dá)32%，其他費(fèi)用占比28%。

目前金屬模具零件材料選擇以鋼材為主，由于新型復(fù)合材料應(yīng)用在模具制造中的成功案例較少，模具企業(yè)不太愿意冒風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)，同時(shí)模具生產(chǎn)所需配套條件高，模具企業(yè)更傾向于選擇在鋼材市場(chǎng)需求量大而廣的常規(guī)材料[3]，而忽略了低成本材料的替換，合理的材料替換與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是降低沖?？傊圃斐杀镜年P(guān)鍵。

1 模具零件材料設(shè)計(jì)成本

模具成本構(gòu)成較復(fù)雜，可通過模具成本費(fèi)用和出售價(jià)格計(jì)算，其中模具成本與報(bào)價(jià)之間的計(jì)算為[4]：

其中，P為模具報(bào)價(jià)；C為模具成本；I為利潤(rùn)；R為稅收；J為加工成本；L為材料成本；W為外購標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件的成本；S為設(shè)計(jì)成本；Y為包裝運(yùn)輸成本。

加工成本：

其中，l為總的加工工序；Ti為某種工序加工工時(shí)；Fi為某種工序加工工時(shí)的成本；K表示系數(shù)。

材料成本:

其中，E為模具板材成本；X為模具鑲件材料成本；B為模具標(biāo)準(zhǔn)件成本。

標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件成本應(yīng)由使用體積量以及每體積的單價(jià)組成：

其中，m為總的材料種類；Vi為某種材料的體積或者件數(shù)；Fi為某種材料的價(jià)格。

設(shè)計(jì)成本：

其中，D為成形工藝分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本；M為需要編程零件的編程成本；T為檢測(cè)成本；A為工藝分析與成形過程分析成本。

運(yùn)輸成本:

其中，G為模具包裝成本；H為裝卸搬運(yùn)成本；N為租賃運(yùn)輸工具成本。

由于模具零件標(biāo)準(zhǔn)化程度不斷提高，除工作構(gòu)件外，其他零部件已基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化，模具零件材料的設(shè)計(jì)費(fèi)用主要由標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件兩部分組成[5]。標(biāo)準(zhǔn)件可通過市場(chǎng)購買獲得，價(jià)格由市場(chǎng)決定，因此模具零件材料設(shè)計(jì)成本通過對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)件成本的合理控制實(shí)現(xiàn)，非標(biāo)準(zhǔn)件成本主要由沖模零件材料決定。模具零件材料需根據(jù)模具服役條件、加工能力、材料性能及其他因素來選擇，一般應(yīng)選擇硬度高、彈性模量大的材料[6]，合理的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可確保模具結(jié)構(gòu)合理、較高的材料利用率并能延長(zhǎng)模具的使用壽命。在模具制造過程中，材料選擇不當(dāng)或材質(zhì)不良會(huì)導(dǎo)致模具損壞或報(bào)廢，造成模具開發(fā)成本的失控。

2 沖模制造成本

沖模制造成本主要由模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝決定。模具的工藝成本是指模具加工制造時(shí)由生產(chǎn)工藝所產(chǎn)生的成本，工序復(fù)雜度、工時(shí)耗時(shí)、設(shè)備先進(jìn)度、工人熟練度和生產(chǎn)周期等都將影響模具的工藝成本。模具制造工藝不合理會(huì)引起模具制造成本的增加，如加工時(shí)殘留的刀痕、磨削痕、鍛造裂紋以及后續(xù)熱處理缺陷等引起的局部應(yīng)力集中。模具零件加工過程中，切削力和切削熱量影響也會(huì)使零件表面金屬層的金相組織、顯微硬度以及殘余應(yīng)力發(fā)生改變。因此，模具的制造技術(shù)水平是影響沖模經(jīng)濟(jì)成本的重要因素之一，工藝優(yōu)化才能保證以較低的制造成本生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品[7]。

3 降低沖模制造成本的方法

根據(jù)分析失效模具的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在引起模具失效的各種因素中，熱處理不當(dāng)約占45%，選材不當(dāng)、模具結(jié)構(gòu)不合理約占25%，工藝問題約占10%；潤(rùn)滑問題、設(shè)備問題等因素約占20%。因此在模具設(shè)計(jì)和制造過程中，選用合適的材料、合理的熱處理和模具結(jié)構(gòu)可延長(zhǎng)模具的使用壽命，降低模具的制造成本[8-9]。

從模具零件選材和加工范圍考慮，大多數(shù)鋼材都可達(dá)到所需的性能要求，但要綜合考慮模具的使用壽命、生產(chǎn)率以及生產(chǎn)工藝難易程度，必須同時(shí)考慮模具的生產(chǎn)成本、工藝及使用性能等因素[10-11]。由于部分模具采購者片面、單純地降低模具價(jià)格，忽視模具設(shè)計(jì)質(zhì)量，只選擇低端材料和低檔模具標(biāo)準(zhǔn)件，不合理地簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)、縮減制造工藝，不但不能保證模具長(zhǎng)時(shí)間、低成本生產(chǎn)，而且會(huì)影響生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量和模具的使用壽命，必須在保證模具質(zhì)量的情況下降低生產(chǎn)成本。在前期多年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出6種可降低沖模制造成本的方法，即填充法、替換法、桁架法、焊接法、拆分法、澆鑄法。

3.1 填充法

模具鋼價(jià)格昂貴、成本高，且在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中有些模具鋼體積大、質(zhì)量重，不利于安裝和拆卸。為克服上述困難，在保證不影響鍛造品質(zhì)的前提下，可以在模塊中填充一些質(zhì)量輕、價(jià)格便宜的氧化鋁粉、沙子、大理石粉、石英陶瓷或廢鐵粉等，并用有機(jī)粘結(jié)劑如環(huán)氧樹脂或無機(jī)黏結(jié)劑磷酸氧化銅等與其均勻混合，并用熱壓力進(jìn)行粘結(jié)。填充法制造原理如圖2所示，工藝過程為：配制粘結(jié)劑→與填充物混合→清洗粘結(jié)面→模具零件定位→填充混合物→熱壓粘結(jié)固化→冷卻時(shí)效處理。

圖2 填充法制造原理

3.2 替換法

鋼的種類不同，制造成本也不同，價(jià)格相差也較大，如1 000 kg45鋼的平均價(jià)格（8 000元/1 000 kg）比1 000 kgH13（20 000元/1 000 kg）模具鋼的平均價(jià)格便宜近40%（2022年市場(chǎng)價(jià)）。模具中整個(gè)模塊各部分的受力情況不同，在成形產(chǎn)品的部位受力最大，損壞也最快，中間次之，邊緣最小，整體滿足不均勻的正態(tài)分布模型。在不影響模具零件品質(zhì)的前提下，為了提高模具零件材料的利用率，可以用便宜的普通鋼或廢鋼替代價(jià)格昂貴的模具鋼，既節(jié)約材料，又降低了模具的制造成本，如圖3所示。

圖3 替換法制造模具零件

3.3 桁架法

桁架法是建立合理的數(shù)學(xué)和力學(xué)模型，通過計(jì)算模塊內(nèi)部各部分的受力情況，根據(jù)力學(xué)平衡替換的方法，將實(shí)體模塊用力學(xué)桁架結(jié)構(gòu)替代，主要是為了減輕模具的質(zhì)量，有利于模具的安裝和拆卸，另外桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性穩(wěn)定，可以保證組合模塊較高的強(qiáng)度，制造原理如圖4所示。桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則是根據(jù)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，即在給定的使用壽命和特定的條件下，考慮桁架的承載能力極限狀態(tài)和正常的使用極限狀態(tài)[12-13]。在沖模中利用桁架結(jié)構(gòu)，首先保證桁架的承載能力滿足使用要求，其次要考慮一些隨機(jī)變動(dòng)因素，如載荷、材料性能、截面特征、施工質(zhì)量等，盡量做到符合設(shè)計(jì)合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理以及質(zhì)量保證等要求。

圖4 桁架法制造模具零件

3.4 焊接法

模具零件鑄造過程中，由于受沖擊載荷和循環(huán)載荷的影響，鑄件容易出現(xiàn)疲勞，當(dāng)應(yīng)力小于極限強(qiáng)度或者小于屈服點(diǎn)時(shí)，鑄件就會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂[7]。為了節(jié)約模具零件材料，提高鍛件型腔周圍的強(qiáng)度，可以在型腔部位焊接性能較好的高強(qiáng)度模具鋼，增加局部的強(qiáng)度。另一方面大型模塊一般使用線切割或電火花加工成整體式，并不是模塊的每一部分都受到有效的鍛造載荷，為了便于安裝，節(jié)約模具零件材料成本，在一些受力較小的部位焊接一些價(jià)格便宜的普通鋼材料，在不影響鍛造品質(zhì)的前提下，盡最大可能降低模具零件設(shè)計(jì)成本。當(dāng)模具零件出現(xiàn)局部磨損或斷裂時(shí)，可以用焊接法進(jìn)行局部修復(fù)，以達(dá)到節(jié)約模具零件材料，提高生產(chǎn)效率的目的，制造原理如圖5所示，工藝流程為：模具零件焊前預(yù)熱→清理焊接面→釬焊或堆焊→木炭緩冷→去應(yīng)力退火等。

圖5 焊接法制造原理

3.5 拆分法

根據(jù)模具結(jié)構(gòu)及其受力特點(diǎn)，在總體尺寸不變的情況下，將大模塊拆分成小模塊，通過拆分和再裝配，形成一種結(jié)構(gòu)更優(yōu)、強(qiáng)度更高、裝配更方便的組合模具，如圖6所示的多層組合凹模，凹模強(qiáng)度得到了提高，且降低了材料成本。

圖6 拆分法制造凹模

3.6 澆鑄法

澆鑄法主要針對(duì)一些加工困難復(fù)雜的模具零件，根據(jù)模具零件形狀先制成芯子，再根據(jù)芯子的形狀制成模具零件形狀的砂型，用普通鋼水澆注形成模塊。最后在模具成形產(chǎn)品的部位焊接高強(qiáng)度的模具鋼或用合金如鋅基合金滿足制模要求[13]。模具零件常用鑄造工藝方法主要有金屬型鑄造、砂型鑄造和石膏型鑄造等，制造原理如圖7所示。砂型鑄造凸模工藝過程為：制模樣→固定→放砂箱→填型砂→樁實(shí)→翻箱起?！鷻z查修整砂型→澆注融化合金→冷卻清理→精整強(qiáng)化表面。砂型鑄造凹模工藝過程為：選蒙皮材料→貼凸模模樣→固定→澆注石膏過渡樣→冷卻凝固→合模烘干→放砂箱造型→起模修型→澆注合金→冷卻清理→精整強(qiáng)化表面。

圖7 澆鑄法制造模具

4 結(jié)束語

在當(dāng)前能源緊缺的情況下，節(jié)約材料成本，減少材料浪費(fèi)，在低碳環(huán)保方面起著重要的作用，上述方法通過節(jié)約模具材料和改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高材料利用率，以降低模具制造成本，這些方法具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用空間，但也存在一些不足，如制造模具周期可能延長(zhǎng)，工藝復(fù)雜，組合模具的強(qiáng)度可能不完全滿足鍛造的要求。沖模制造成本也受其他因素影響，如模具零件新材料的應(yīng)用，多余廢料的應(yīng)用，坯料形狀和零件形狀等。僅從模具設(shè)計(jì)與制造工藝兩方面考慮沖模制造成本不現(xiàn)實(shí)，還應(yīng)與模具生產(chǎn)企業(yè)的管理水平和經(jīng)驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行考慮。