影響鍛件成本的因素主要有鍛件原材料、能源、人工、模具、設備折舊等費用，對于中小型熱鍛件，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有效措施。本文以某型鏈軌節為例，闡述了模具全壽命周期各階段應考量的綜合管控措施，使模具費用和模具壽命達到合理匹配，從而實現降低單位鍛件模具成本的目的。


單位鍛件模具成本


生產經營中，企業通常關注模具全壽命周期內所生產的合格鍛件之和與因模具而發生的所有費用的比值，其中，模具全壽命周期內所生產的合格鍛件之和是指自模具投產開始，到模具主體無修復價值為止，所有班次所鍛鍛件的總和(應減掉因模具失效而造成不合格品的數量)；模具全壽命周期內因模具而發生的所有費用包括初次投入、每次修復、更換配件和模具保養發生的費用。


模具費用包括主材(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；折舊或分攤包括設備、工裝、工具、設施的折舊或分攤等；其他費用包括人工成本、檢測費用、管理費用、設計(試驗)費用、外部協作費用等。此外，模具費用應減掉模具再利用及廢料回收的殘值，特別是對于錘鍛模具等較大模具，其殘值在成本核算時，應重點考慮費用分攤，如果把所有費用分攤到現有產品中，會導致模具費偏高。某型鏈軌節成本構成明細如表1所示。


依據表1數據繪制鍛件單位成本變化趨勢曲線，從圖1可以看出，當鍛件少于1.5萬件時，隨著鍛件總量的增加，單位鍛件模具成本急劇降低；當鍛件為(1.5～6)萬件時，隨著鍛件總量的增加，單位鍛件模具成本變化比較明顯；當鍛件大于6萬件時，隨著鍛件總量的增加，單位鍛件模具成本基本無變化；當鍛件大于10萬件時，兩種模具材料單位鍛件模具成本，基本無差別，因此，當鍛件數量少時，應妥善分攤、控制模具初次投入費用，并考慮如何降低模具費用；反之，當鍛件總量大時，模具初次投入費用影響不大，應重點考慮模具壽命。

圖1鍛件單位成本和數量關系圖

表1某型鏈軌節成本構成明細

某型鏈軌節模具單位鍛件成本變化趨勢如圖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；下降階段是模具下落工序，有成本下降趨勢，因此，在模具修復過程中，應該減少模具焊接次數，增加下落次數，建議采用(X+1)模式修復，不必每次修復時都實施焊接。


模具設計階段


模具材料應考量價格、使用性能(特別是耐熱性)、加工性能、可修復性?？尚迯托圆顣蠓岣吣＞叱杀?。熱處理應考量設備選型，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氣淬火，能實現加熱和冷卻的全程可控，提高模具硬度均勻性，從而減少開裂和內應力。表面處理應考量工藝選擇，如表面強化(激光淬火)、表面變性(滲N、滲B)、表面涂層。

圖2某型鏈軌節模具單位鍛件成本變化趨勢

模具設計時應充分利用鍛件公差和模具失效規律，控制模具上、下邊界尺寸，合理選取R角，提高模具壽命。模具結構設計時應注意合理選用整體模和組裝模，回轉體模具適合用組裝模。必須重視頂料設計，因頂料好壞直接影響模具壽命，盡量少用人工撬料。應論證預、終鍛的必要性和經濟性，增加預鍛工序能延長模具壽命，但會降低鍛件班產量，需全面權衡利弊。


模具制作階段


材料選擇


選擇基體材料的關注點是有益元素的含量，如鉻、鉬、鈦、釩、鎢等的化學成分含量是否足夠(不僅是合格)，有害元素去除是否充分，是否電渣重熔，是否經超細化處理，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。對于失效嚴重的局部，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，可以采購已熱處理的模塊直接加工成形，但刀具費用會大幅增加，若選用這種工藝，加工過程中應增加至少一次去應力回火，防止模具變形甚至開裂。

圖3 H13鋼鍛造不充分導致模具早期失效的金相組織

模具使用階段


裝模質量


模具墊板不平，易出現模具橫向斷裂，特別是長模塊更明顯；裝模時要求模具對齊，固定牢固，鍛造時不得發生移動，若模具對不齊，鎖扣易斷裂。模具預熱應均勻、充分，最好用火焰加熱，選用多個噴頭同時加熱效果好；用加熱料塊預熱模具對模具損害較大，且很易出現預熱不均勻。


試模方案


試模方案優劣影響模具壽命，熱模鍛壓力機試模的3個原則：厚度應先厚再薄，坯料先小后大，嚴防粘模。即使只發生一次粘模，也會對模具造成很大損害。改善措施為：除正常頂料外，對試模的頭幾件，在上、下模腔內蘸適量機械油和石墨的混合物，石墨起潤滑和隔熱作用，油受熱后氣化，體積瞬間膨脹，產生一定的爆破效果，產生的爆破力有利于鍛件出模，一般3～5件后，恢復正常潤滑就可以了。


模具冷卻和潤滑


控制冷卻強度、均勻性，關注冷卻介質冷卻、潤滑特性，黑色石墨介質有較好的效果，但污染嚴重。焊接模具后嚴禁過度冷卻，否則易產生龜裂，盡量采用自動冷卻，實現冷卻均勻、穩定。


模架質量


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


鍛造過程的連續性


若生產不連續，經常生產中斷，模具被反復加熱和冷卻，會降低模具壽命，所以應盡量減少中斷次數?？刂婆髁显谀＞弑砻娴耐Ａ魰r間，停留時間越短模具壽命越長?？刂棋懠谀Ｇ粌韧Ａ魰r間，頂料需及時，延遲時間要盡可能地縮短。


修復和維護階段


模具修復方法有下落、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。


更換或配件修復應達到原設計要求，很多情況下由于產生磨損或局部變形，更換配件后，壽命會大幅降低。修復時應檢測變形量，根據實際失效情況修復。


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

圖4(X+1)模具焊接修復模式示意圖

對需過盈配合的模具應控制過盈度，因用過一次的孔會發生變形，更換后過盈度會降低(特別是產生了錐度后，尺寸很難控制)，導致模具壽命降低。因此，最好每次使用后，加工一次孔，以保證過盈度穩定。


項目產品結束后模具的處置


項目產品結束后，模具最好的處理方式是能改作它用，特別是對新鍛件的型腔大于現有型腔的模具，可直接加工，符合新要求即可；對局部或全部型腔不夠加工的部分，可以經局部或全部焊接后，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。


結束語


綜上所述，模具費用與模具壽命密切相關，二者既相互制約又相輔相成。盲目降低模具各種投入，來減少模具費用，可能導致模具壽命異常降低，并不能降低單位鍛件模具成本，相反，可能導致單位鍛件模具成本升高；同樣，盲目加大模具投入，導致模具費用過高，而由于各種原因，模具壽命并沒有得到相應的提高，也可能導致單位鍛件模具成本升高。因此，必須在模具全壽命周期內，對影響模具費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。


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