模鍛替代自由鍛的降本工藝研究

周 偉

（上海三菱電梯有限公司，上海 200245）

上海三菱電梯有限公司目前大部分鍛件類零件D 鍛造工藝一直采用的是自由鍛。長期以來，自由鍛工藝生產效率低，鍛造后加工余量大，容易發生鍛造缺陷造成產品質量問題，已經不適應公司對大批量高要求零部件的生產要求。基于公司降低成本、提高生產效率的目標，針對大批量生產的零部件的鍛造工藝，開展模鍛替代自由鍛的工藝降本研究工作，非常具有實用意義。

1 自由鍛和模鍛工藝

自由鍛是利用沖擊力或壓力直接對坯料施加外力，使坯料產生變形而獲得所需外部形狀及內部性能的鍛造加工方法。其特點是逐步改變坯料的形狀和尺寸，因此，所需設備功率比模鍛要小得多，可以用較小設備鍛造較大鍛件。自由鍛的鍛件精度低，生產效率低，適合小批、單件、大型鍛件的鍛造生產。

模鍛是把加熱好的坯料放在固定于模鍛設備上的模具內進行鍛造的方法。模鍛的特點是在鍛壓機器動力作用下，熱透坯料在鍛模型腔中被迫塑性流動成形，從而獲得比自由鍛質量更高的鍛件。

2 成本分析比較

針對公司鍛件類零件，進行模鍛工藝和自由鍛工藝之間的成本分析梳理和試制工作。選取扶梯減速箱的低速級齒輪，材質為40Cr圓鋼。

表1 齒輪自由鍛和模鍛成本分析

表1是低速級齒輪自由鍛和模鍛的成本分析，按照未稅價來計算，原材料為直徑為190mm的40Cr圓鋼，材料單價為當時的最新采購價。

由表1的成本分析具體數據，可以得出如下判斷

原材料成本：模鍛相比自由鍛在原材料消耗上有明顯節省，模鍛為145元/件，自由鍛為185元/件。

鍛造成本：盡管模鍛的鍛造費用單價高，模鍛為2.5元/kg，自由鍛為2元/kg。即使計算上鍛模成本4元/件，模鍛的鍛造費用總體上還是比自由鍛（為83元/件）要低。

圖1 齒輪的模鍛工藝鍛件圖

粗加工成本：在粗加工要求相同的條件下，模鍛的金屬去除量比自由鍛要少，那么粗加工的成本也隨之可以有一定的減少，模鍛為24元/件，自由鍛為38元/件。

綜合比較下，模鍛在原材料成本、鍛造成本和粗加工成本三方面都具有相當大的成本優勢。

由模鍛工藝的鍛件圖和自由鍛的鍛件圖（見圖1）可知，對于形狀復雜的零部件，模鍛和自由鍛工藝的終鍛后尺寸差別較大，模鍛工藝的后道工序加工量明顯要小于自由鍛。從外觀上來看，采用模鍛工藝的低速級齒輪與采用自由鍛的區別就在于，在沒有產品設計要求的凹槽內，由噴丸工藝后的模鍛表面代替了原先的粗加工表面，這樣該表面就不再需要進行后道機加工了。

3 技術分析比較

除經濟性方面成本分析比較外，另外提出了從技術性角度對模鍛和自由鍛進行工藝性評價。下文以齒輪為例，從三方面進行對比檢測試驗。

3.1 力學性能

檢測標準為GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》。

表2 拉伸試驗對比數據

由表2可見，采用模鍛工藝的材料在強度指標（屈服強度和抗拉強度）上都要普遍強于自由鍛的材料，伴隨而來的結果就是在韌性指標（伸長率和斷面收縮率）上稍微減弱。

檢測標準為GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》。

表3 夏比沖擊試驗對比數據

Charpy Impact Test作為一種動態力學性能試驗，用以測定金屬材料抗缺口敏感性（韌性）的試驗。由表3可知，采用模鍛工藝的材料在抗沖擊的韌性指標上要明顯優于自由鍛材料。

3.2 鍛造流線

低倍檢驗報告對模鍛和自由鍛的鍛造流線進行了對比，檢測數據結果說明兩種鍛造工藝在鍛造流線上基本相同，這也是由于兩者本身都是屬于鍛造成型工藝而決定的。

3.3 金相檢驗

高倍金相檢驗，檢測依據為GB/T 13299-1991《鋼的顯微組織評定方法》和GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》。

從材料組織結構上看，模鍛和自由鍛的顯微組織都為回火索氏體，性能上都具有良好的韌性和塑性，同時具有較高的強度，因此，具有良好的綜合力學性能。此外，實測自由鍛的晶粒度為6.5，而模鍛的晶粒度為6.0，基本上差不多，自由鍛相比模鍛晶粒稍微更細一點。

值得注意的是，自由鍛的金相組織有一定的鍛造疏松存在，疏松是沿鋼錠中心的組織鍛造時未鍛合造成的，屬于自由鍛特有的鍛造缺陷。由此可見，自由鍛與模鍛這兩種不同的鍛造工藝對鍛件本身內在的產品品質要求的高低還是存在一定程度的影響。

3 結論

作為模鍛代替自由鍛的工藝降本研究的項目結論，根據試點零部件的試制結果，從以下三點來概括闡述模鍛的適用性。

第一，模鍛工藝適合于大批量產品：模鍛的生產效率較高，生產過程操作簡便，勞動強度比自由鍛小，在批量足夠的條件下，能降低零件的鍛造成本。

第二，模鍛工藝適合于形狀復雜的產品：模鍛件尺寸精度較高，表面質量也比自由鍛好，對于精度要求不高的結構設計，可以代替機加工表面。

第三，模鍛工藝適合于要求較高的產品：通過本項目進行的鍛造流線和金相檢驗的結果來看，模鍛可以使金屬流線的分布更為完整合理，從而進一步提高零件的使用壽命，且相比自由鍛工藝可以在一定程度上降低發生鍛造缺陷（如自由鍛特有的疏松缺陷）的幾率。

以上是本項目研究成果得出的，針對公司的常規鍛造產品，模鍛與自由鍛相比的優勢特點。但是，模鍛在應用范圍上也有一定的局限性。

模鍛生產受模鍛設備噸位限制，因此，模鍛件的質量一般在150kg以下，如對于中高速梯曳引機的主軸類零件，自由鍛是目前唯一的成型鍛造方法；模鍛設備投資較大，鍛模費用較昂貴，且壽命較低，本項目中試制的齒輪的鍛模壽命基本在5000件左右，還存在一定的換模需求；模鍛工藝靈活性較差，不如自由鍛簡單，生產準備周期尤其是鍛模制造周期都較長，批量小的鍛件在成本上不合算。

綜上所述，模鍛適合于小型鍛件的大批大量生產，不適合單件小批量生產以及中、大型鍛件的生產。