文／趙一平·中國鍛壓協(xié)會首席專家

鍛件生產(chǎn)評估和優(yōu)化 （下）

文／趙一平·中國鍛壓協(xié)會首席專家

《鍛件生產(chǎn)評估和優(yōu)化(上)》見2013年第1期

材料利用率高

合理制坯

對長軸類鍛件進(jìn)行開式模鍛時(shí)，如果軸向截面積相差較大，一般最大截面與最小截面比大于1.5，應(yīng)采用壓擠、輥鍛或楔橫軋制坯，彎長軸類鍛件應(yīng)采用彎曲模具進(jìn)行彎曲制坯，否則材料利用率低。

閉式模鍛

短軸類鍛件（例如，齒輪、突緣和輪轂等）采用閉式模鍛和擠壓，由于沒有橫向飛邊，鍛件材料利用率高。根據(jù)鍛件形狀的不同，其材料利用率可以達(dá)到80%～95%。

圖1所示的突緣鍛件，材料為35鋼，質(zhì)量為2.25kg，是面包車上的零件。采用閉式鍛造時(shí)，其材料利用率達(dá)到94%。該鍛件成形難點(diǎn)是預(yù)制坯的形狀，經(jīng)分析，該預(yù)制坯料在終鍛模膛成形時(shí)，需要對坯料進(jìn)行鐓粗和擴(kuò)孔，并同時(shí)正、反擠壓和徑向擠壓成形。

在日本約有1/4的鍛件采用熱精密模鍛，即半閉式模鍛和閉塞模鍛。所以，日本模鍛件的材料利用率很高。

圖1 突緣鍛件

半閉式模鍛

半閉式模鍛即帶飛邊的閉式模鍛（例如，突緣叉采用壓擠制坯，預(yù)鍛工步采用半閉式模鍛），其材料利用率由原來的76%提高到86%。帶桿轉(zhuǎn)向節(jié)采用半閉式立鍛擠壓預(yù)鍛，然后終鍛成形，鍛件材料利用率達(dá)到85%。但是，采用半閉式模鍛時(shí)，必須要有對應(yīng)的坯料與其匹配，才能既提高材料利用率，又提高模具壽命。

閉塞模鍛

閉塞模鍛最先用于冷鍛或溫鍛十字軸、星形套和直齒圓錐齒輪等精密模鍛件的生產(chǎn)?，F(xiàn)在開始用于十字軸、直齒圓錐齒輪熱精密模鍛件的生產(chǎn)。全國有多條由2臺摩擦壓力機(jī)組成的熱精鍛齒輪生產(chǎn)線，圖2所示的直齒圓錐齒輪，齒形精度達(dá)到10～11級（GB／T11365－1989）。

圖2 直齒圓錐齒輪

若采用可分凹模閉式模鍛（即閉塞模鍛），其工藝過程如圖3所示，操作人員由6人減少到2人，生產(chǎn)率由240件/h增加到360件/h。另外，由于沒有橫向飛邊，又可以提高材料利用率。在國外，圖4所示的汽車發(fā)電機(jī)爪極，已經(jīng)采用閉塞模鍛成形的生產(chǎn)工藝。

模具壽命高

國內(nèi)、外模具壽命對比

對于低合金結(jié)構(gòu)鋼模具而言，國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家，模具一次性使用壽命根據(jù)鍛件材料、形狀復(fù)雜程度和產(chǎn)品精度不同而不同。模鍛錘模具壽命約為0.5～0.8萬件，新型程控全液壓模鍛錘，由于其能量和程序均可設(shè)定和控制，模具壽命有較大提高，達(dá)到1～1.6萬件。螺旋壓力機(jī)模具壽命比熱模鍛壓力機(jī)稍低，熱模鍛壓力機(jī)模具壽命最高，一般可達(dá)1.5～2.5萬件，其中生產(chǎn)連桿模具的壽命約為1.5～2.5萬件，生產(chǎn)曲軸模具的壽命約為0.85～1.8萬件，生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)模具的壽命約為0.6～1.4萬件，生產(chǎn)齒輪模具的壽命約為1.0～3.5萬件。國內(nèi)熱模鍛壓力機(jī)模具平均壽命約為0.6～0.9萬件，僅為國外模具壽命的1／3～1／2，摩擦壓力機(jī)模具的壽命更低，約為0.2～0.35萬件，一般僅為0.25萬件左右。造成我國模具壽命低的主要原因是設(shè)備打擊能量控制不好；制坯工序過長，造成坯料溫度較低。

圖3 閉塞模鍛工藝過程示意圖

影響模具壽命的因素

影響模具使用壽命因素很多，例如，鍛壓設(shè)備的種類和狀態(tài)，鍛件的材料、形狀、復(fù)雜程度和精度，模具材料，模具設(shè)計(jì)，模具制造（包括模塊鍛造、模具加工制造、熱處理和表面強(qiáng)化處理），潤滑材料，模具的使用和維護(hù)等。這里所指的模具壽命是一次性壽命（即模具翻新前的壽命），而且是指模具的正常壽命。

模具壽命是一個(gè)系統(tǒng)工程，每項(xiàng)因素均應(yīng)按要求做好，若一項(xiàng)出現(xiàn)疏漏，會大打折扣，甚至前功盡棄，這必須通過嚴(yán)格管理才能實(shí)現(xiàn)。另外，根據(jù)不同的鍛件形狀和成形工藝方法，尋找關(guān)鍵因素，解決關(guān)鍵因素，大幅提高模具壽命。

提高模具壽命不僅是技術(shù)問題，更主要的是企業(yè)管理問題。這就是我國大多數(shù)企業(yè)模具壽命不高的原因，同一鍛件模具壽命忽高忽低，不穩(wěn)定。另外，國內(nèi)和國外模具壽命差距還和我國在冶金工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)的差距有關(guān)，模具材料和熱處理方面的差距顯得更為突出。但是，經(jīng)過努力使得我國模具壽命達(dá)到國外模具壽命的80%還是有可能的。

圖4 發(fā)電機(jī)爪極

提高模具壽命的必要性

模具壽命高不僅降低鍛件成本，穩(wěn)定鍛件質(zhì)量，減少修模、換模的次數(shù)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且也是提高鍛件生產(chǎn)率的基本保證和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的必備條件。例如，山東煙臺通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司20MN熱模鍛壓力機(jī)連桿鍛造自動(dòng)生產(chǎn)線，其節(jié)拍生產(chǎn)率12件／min，按2天4個(gè)班計(jì)算：12×60×6.5×4＝18720件。其中6.5h為每班實(shí)際工作時(shí)間，企業(yè)該條連桿鍛造自動(dòng)生產(chǎn)線模具壽命是1.5～2萬件，做到2天換模。如果模具壽命短，將不能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化。

模具費(fèi)用一般約占鍛件制造成本的8%～15%。生產(chǎn)中由于模具磨損和發(fā)生故障而進(jìn)行模具修理，模具更換等損失時(shí)間（換模和烤模需要2～4h）約占·實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間的10%～15%。外國鍛造企業(yè)實(shí)行24h生產(chǎn)制，因?yàn)閳D5所示的模具斷裂等問題，減去損失時(shí)間，實(shí)際有效時(shí)間也僅為16.5h，所以模具壽命的延長可以提高生產(chǎn)效率。

能源消耗低

鍛件的能耗

一個(gè)鍛件在生產(chǎn)過程中的能耗包括鍛坯加熱能耗、鍛件熱處理能耗，以及設(shè)備的動(dòng)能消耗。動(dòng)能是指驅(qū)動(dòng)設(shè)備和生產(chǎn)過程中消耗的能量和工質(zhì)（例如水、壓縮空氣等）。另外，模具熱處理能耗也較大，一般計(jì)算在模具成本內(nèi)。

⑴鍛坯加熱的燃料消耗。

圖5 模具斷裂

一般碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼加熱溫度為1200～1250℃，各種燃料加熱消耗能耗最低的是中頻感應(yīng)加熱，其每千克坯料加熱能耗約為0.5kWh，即0.202kg的標(biāo)煤（發(fā)熱值為29300kJ／kg的煤），煤氣（發(fā)熱值為5650kJ／m3）加熱每千克坯料能耗約為0.35kg的標(biāo)煤，燃煤（發(fā)熱值為25120kJ／kg）加熱每千克坯料能耗約為0.47kg的標(biāo)煤。所以，鍛造企業(yè)應(yīng)采用中頻感應(yīng)加熱。

⑵鍛件熱處理燃料消耗。

機(jī)械零件大量采用碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼，其鍛件最常用的熱處理工藝為調(diào)質(zhì)、正火、等溫正火和退火。

1）調(diào)質(zhì)能耗。采用連續(xù)式電阻爐，全年統(tǒng)計(jì)，淬火每千克鍛件實(shí)際耗電約為0.5kWh。采用連續(xù)式電阻回火爐，回火每千克鍛件實(shí)際耗電約為0.3kWh。所以調(diào)質(zhì)每千克鍛件實(shí)際耗電約為0.8kWh（調(diào)質(zhì)每千克鍛件理論耗電為0.4kWh）。

2）正火能耗。采用連續(xù)式電阻爐，全年統(tǒng)計(jì)，正火每千克鍛件實(shí)際耗電為0.4kWh。

3）等溫正火能耗。采用連續(xù)式電阻等溫正火爐，全年統(tǒng)計(jì)，加熱和等溫正火每千克鍛件實(shí)際能耗約為0.7kWh。

以上數(shù)據(jù)僅供參考，因?yàn)殄懠崽幚砟芎拇笮∮蔂t型、裝載方式、鋼種和生產(chǎn)方式（休假停爐和故障停爐等各種原因反復(fù)升溫）決定，其中周期加熱爐比連續(xù)加熱爐能耗大，例如連續(xù)式網(wǎng)帶電阻爐或連續(xù)式鑄鏈電阻爐能耗損失較小，而臺車式電阻爐能耗損失較大。

鍛件在熱處理過程中要消耗大量能源，因此國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家均高度重視鍛件的余熱利用，大量采用鍛件余熱熱處理工藝，國內(nèi)使用也較多。

采用非調(diào)質(zhì)鋼

采用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)鍛件省略了調(diào)質(zhì)熱處理，既節(jié)能又環(huán)保（沒有調(diào)質(zhì)熱處理廢氣和廢水污染物），應(yīng)大力推廣。國外已大量采用，例如日本90%的汽車連桿和曲軸均已采用非調(diào)質(zhì)鋼。

非調(diào)質(zhì)鋼的推廣應(yīng)用，需要企業(yè)把產(chǎn)品設(shè)計(jì)師、材料工程師和工藝工程師三者結(jié)合起來。只有他們密切合作、齊心協(xié)力才能獲得非調(diào)質(zhì)鋼的快速發(fā)展。目前，國內(nèi)大量采用非調(diào)質(zhì)鋼還需要國家政策支持。

利用鍛造余熱

從以上分析可知，鍛件熱處理能耗很可觀，而鍛件鍛后溫度仍很高，一般約為800～900℃，不利用就浪費(fèi)了，而且還污染環(huán)境。鍛造企業(yè)應(yīng)利用鍛件的鍛后余熱進(jìn)行熱處理，降低鍛件能源消耗。

例如，圖6所示的KMS發(fā)動(dòng)機(jī)連桿余熱淬火曲線圖，鍛件材料為40MnBH，質(zhì)量為2.75kg。鍛件校正后溫度為800～900℃，零件直接滑入到校正壓力機(jī)旁邊的余熱淬火油槽中使用快速淬火油，淬火油溫控制在40～80℃，通過板式換熱器來控制淬火油溫度，零件在淬火油中冷卻時(shí)間為3min左右，通過淬火槽中的鏈板傳送帶將零件提升并掉入料箱。

圖6 KMS發(fā)動(dòng)機(jī)連桿余熱淬火工藝曲線圖

每噸鍛件綜合能耗

我國綜合性模鍛企業(yè)每噸鍛件平均能耗約0.8～1.2t標(biāo)煤（數(shù)據(jù)僅供參考），所謂綜合性模鍛企業(yè)是指包含各種鍛件全部生產(chǎn)工藝，并包含模具加工和熱處理。節(jié)能先進(jìn)的模鍛企業(yè)例如東風(fēng)鍛造公司，每噸鍛件平均能耗約為0.8t標(biāo)煤。國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家，例如日本，其鍛造行業(yè)的平均水平為每噸鍛件綜合能耗為0.515t標(biāo)煤。

我國模鍛行業(yè)每噸鍛件能耗費(fèi)用一般約占鍛件制造成本的8%～10%（不含模具熱處理能耗）。所以，鍛件生產(chǎn)評估和優(yōu)化就是要達(dá)到鍛件質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)率高、材料利用率高、模具壽命高和能耗低。鍛件質(zhì)量優(yōu)，成本低，是鍛造企業(yè)永恒的追求目標(biāo)，也是鍛造企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益和競爭力的必然措施。