鍛件生產評估和優化 （下）

文／趙一平·中國鍛壓協會首席專家

鍛件生產評估和優化 （下）

文／趙一平·中國鍛壓協會首席專家

《鍛件生產評估和優化(上)》見2013年第1期

材料利用率高

合理制坯

對長軸類鍛件進行開式模鍛時，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，應采用壓擠、輥鍛或楔橫軋制坯，彎長軸類鍛件應采用彎曲模具進行彎曲制坯，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。根據鍛件形狀的不同，其材料利用率可以達到80%～95%。

圖1所示的突緣鍛件，材料為35鋼，質量為2.25kg，是面包車上的零件。采用閉式鍛造時，其材料利用率達到94%。該鍛件成形難點是預制坯的形狀，經分析，該預制坯料在終鍛模膛成形時，需要對坯料進行鐓粗和擴孔，并同時正、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%。帶桿轉向節采用半閉式立鍛擠壓預鍛，然后終鍛成形，鍛件材料利用率達到85%。但是，采用半閉式模鍛時，必須要有對應的坯料與其匹配，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。現在開始用于十字軸、直齒圓錐齒輪熱精密模鍛件的生產。全國有多條由2臺摩擦壓力機組成的熱精鍛齒輪生產線，圖2所示的直齒圓錐齒輪，齒形精度達到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所示的汽車發電機爪極，已經采用閉塞模鍛成形的生產工藝。

模具壽命高

國內、外模具壽命對比

對于低合金結構鋼模具而言，國外工業發達國家，模具一次性使用壽命根據鍛件材料、形狀復雜程度和產品精度不同而不同。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定和控制，模具壽命有較大提高，達到1～1.6萬件。螺旋壓力機模具壽命比熱模鍛壓力機稍低，熱模鍛壓力機模具壽命最高，一般可達1.5～2.5萬件，其中生產連桿模具的壽命約為1.5～2.5萬件，生產曲軸模具的壽命約為0.85～1.8萬件，生產轉向節模具的壽命約為0.6～1.4萬件，生產齒輪模具的壽命約為1.0～3.5萬件。國內熱模鍛壓力機模具平均壽命約為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，鍛壓設備的種類和狀態，鍛件的材料、形狀、復雜程度和精度，模具材料，模具設計，模具制造（包括模塊鍛造、模具加工制造、熱處理和表面強化處理），潤滑材料，模具的使用和維護等。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。

模具壽命是一個系統工程，每項因素均應按要求做好，若一項出現疏漏，會大打折扣，甚至前功盡棄，這必須通過嚴格管理才能實現。另外，根據不同的鍛件形狀和成形工藝方法，尋找關鍵因素，解決關鍵因素，大幅提高模具壽命。

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

圖4 發電機爪極

提高模具壽命的必要性

模具壽命高不僅降低鍛件成本，穩定鍛件質量，減少修模、換模的次數，提高勞動生產率，而且也是提高鍛件生產率的基本保證和實現自動化生產的必備條件。例如，山東煙臺通用發動機公司20MN熱模鍛壓力機連桿鍛造自動生產線，其節拍生產率12件／min，按2天4個班計算：12×60×6.5×4＝18720件。其中6.5h為每班實際工作時間，企業該條連桿鍛造自動生產線模具壽命是1.5～2萬件，做到2天換模。如果模具壽命短，將不能實現生產線的自動化。

模具費用一般約占鍛件制造成本的8%～15%。生產中由于模具磨損和發生故障而進行模具修理，模具更換等損失時間（換模和烤模需要2～4h）約占·實際生產時間的10%～15%。外國鍛造企業實行24h生產制，因為圖5所示的模具斷裂等問題，減去損失時間，實際有效時間也僅為16.5h，所以模具壽命的延長可以提高生產效率。

能源消耗低

鍛件的能耗

一個鍛件在生產過程中的能耗包括鍛坯加熱能耗、鍛件熱處理能耗，以及設備的動能消耗。動能是指驅動設備和生產過程中消耗的能量和工質（例如水、壓縮空氣等）。另外，模具熱處理能耗也較大，一般計算在模具成本內。

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構鋼加熱溫度為1200～1250℃，各種燃料加熱消耗能耗最低的是中頻感應加熱，其每千克坯料加熱能耗約為0.5kWh，即0.202kg的標煤（發熱值為29300kJ／kg的煤），煤氣（發熱值為5650kJ／m3）加熱每千克坯料能耗約為0.35kg的標煤，燃煤（發熱值為25120kJ／kg）加熱每千克坯料能耗約為0.47kg的標煤。所以，鍛造企業應采用中頻感應加熱。

⑵鍛件熱處理燃料消耗。

機械零件大量采用碳素結構鋼和低合金結構鋼，其鍛件最常用的熱處理工藝為調質、正火、等溫正火和退火。

1）調質能耗。采用連續式電阻爐，全年統計，淬火每千克鍛件實際耗電約為0.5kWh。采用連續式電阻回火爐，回火每千克鍛件實際耗電約為0.3kWh。所以調質每千克鍛件實際耗電約為0.8kWh（調質每千克鍛件理論耗電為0.4kWh）。

2）正火能耗。采用連續式電阻爐，全年統計，正火每千克鍛件實際耗電為0.4kWh。

3）等溫正火能耗。采用連續式電阻等溫正火爐，全年統計，加熱和等溫正火每千克鍛件實際能耗約為0.7kWh。

以上數據僅供參考，因為鍛件熱處理能耗大小由爐型、裝載方式、鋼種和生產方式（休假停爐和故障停爐等各種原因反復升溫）決定，其中周期加熱爐比連續加熱爐能耗大，例如連續式網帶電阻爐或連續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，因此國外工業發達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，國內使用也較多。

采用非調質鋼

采用非調質鋼生產鍛件省略了調質熱處理，既節能又環保（沒有調質熱處理廢氣和廢水污染物），應大力推廣。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質鋼。

非調質鋼的推廣應用，需要企業把產品設計師、材料工程師和工藝工程師三者結合起來。只有他們密切合作、齊心協力才能獲得非調質鋼的快速發展。目前，國內大量采用非調質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℃，不利用就浪費了，而且還污染環境。鍛造企業應利用鍛件的鍛后余熱進行熱處理，降低鍛件能源消耗。

例如，圖6所示的KMS發動機連桿余熱淬火曲線圖，鍛件材料為40MnBH，質量為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發動機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每噸鍛件平均能耗約0.8～1.2t標煤（數據僅供參考），所謂綜合性模鍛企業是指包含各種鍛件全部生產工藝，并包含模具加工和熱處理。節能先進的模鍛企業例如東風鍛造公司，每噸鍛件平均能耗約為0.8t標煤。國外工業發達國家，例如日本，其鍛造行業的平均水平為每噸鍛件綜合能耗為0.515t標煤。

我國模鍛行業每噸鍛件能耗費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，鍛件生產評估和優化就是要達到鍛件質量穩定、生產率高、材料利用率高、模具壽命高和能耗低。鍛件質量優，成本低，是鍛造企業永恒的追求目標，也是鍛造企業提高經濟效益和競爭力的必然措施。