锻件生产评估和优化 （下）

文／赵一平·中国锻压协会首席专家

锻件生产评估和优化 （下）

文／赵一平·中国锻压协会首席专家

《锻件生产评估和优化(上)》见2013年第1期

材料利用率高

合理制坯

对长轴类锻件进行开式模锻时，如果轴向截面积相差较大，一般最大截面与最小截面比大于1.5，应采用压挤、辊锻或楔横轧制坯，弯长轴类锻件应采用弯曲模具进行弯曲制坯，否则材料利用率低。

闭式模锻

短轴类锻件（例如，齿轮、突缘和轮毂等）采用闭式模锻和挤压，由于没有横向飞边，锻件材料利用率高。根据锻件形状的不同，其材料利用率可以达到80%～95%。

图1所示的突缘锻件，材料为35钢，质量为2.25kg，是面包车上的零件。采用闭式锻造时，其材料利用率达到94%。该锻件成形难点是预制坯的形状，经分析，该预制坯料在终锻模膛成形时，需要对坯料进行镦粗和扩孔，并同时正、反挤压和径向挤压成形。

在日本约有1/4的锻件采用热精密模锻，即半闭式模锻和闭塞模锻。所以，日本模锻件的材料利用率很高。

图1 突缘锻件

半闭式模锻

半闭式模锻即带飞边的闭式模锻（例如，突缘叉采用压挤制坯，预锻工步采用半闭式模锻），其材料利用率由原来的76%提高到86%。带杆转向节采用半闭式立锻挤压预锻，然后终锻成形，锻件材料利用率达到85%。但是，采用半闭式模锻时，必须要有对应的坯料与其匹配，才能既提高材料利用率，又提高模具寿命。

闭塞模锻

闭塞模锻最先用于冷锻或温锻十字轴、星形套和直齿圆锥齿轮等精密模锻件的生产。现在开始用于十字轴、直齿圆锥齿轮热精密模锻件的生产。全国有多条由2台摩擦压力机组成的热精锻齿轮生产线，图2所示的直齿圆锥齿轮，齿形精度达到10～11级（GB／T11365－1989）。

图2 直齿圆锥齿轮

若采用可分凹模闭式模锻（即闭塞模锻），其工艺过程如图3所示，操作人员由6人减少到2人，生产率由240件/h增加到360件/h。另外，由于没有横向飞边，又可以提高材料利用率。在国外，图4所示的汽车发电机爪极，已经采用闭塞模锻成形的生产工艺。

模具寿命高

国内、外模具寿命对比

对于低合金结构钢模具而言，国外工业发达国家，模具一次性使用寿命根据锻件材料、形状复杂程度和产品精度不同而不同。模锻锤模具寿命约为0.5～0.8万件，新型程控全液压模锻锤，由于其能量和程序均可设定和控制，模具寿命有较大提高，达到1～1.6万件。螺旋压力机模具寿命比热模锻压力机稍低，热模锻压力机模具寿命最高，一般可达1.5～2.5万件，其中生产连杆模具的寿命约为1.5～2.5万件，生产曲轴模具的寿命约为0.85～1.8万件，生产转向节模具的寿命约为0.6～1.4万件，生产齿轮模具的寿命约为1.0～3.5万件。国内热模锻压力机模具平均寿命约为0.6～0.9万件，仅为国外模具寿命的1／3～1／2，摩擦压力机模具的寿命更低，约为0.2～0.35万件，一般仅为0.25万件左右。造成我国模具寿命低的主要原因是设备打击能量控制不好；制坯工序过长，造成坯料温度较低。

图3 闭塞模锻工艺过程示意图

影响模具寿命的因素

影响模具使用寿命因素很多，例如，锻压设备的种类和状态，锻件的材料、形状、复杂程度和精度，模具材料，模具设计，模具制造（包括模块锻造、模具加工制造、热处理和表面强化处理），润滑材料，模具的使用和维护等。这里所指的模具寿命是一次性寿命（即模具翻新前的寿命），而且是指模具的正常寿命。

模具寿命是一个系统工程，每项因素均应按要求做好，若一项出现疏漏，会大打折扣，甚至前功尽弃，这必须通过严格管理才能实现。另外，根据不同的锻件形状和成形工艺方法，寻找关键因素，解决关键因素，大幅提高模具寿命。

提高模具寿命不仅是技术问题，更主要的是企业管理问题。这就是我国大多数企业模具寿命不高的原因，同一锻件模具寿命忽高忽低，不稳定。另外，国内和国外模具寿命差距还和我国在冶金工业、机械制造业的差距有关，模具材料和热处理方面的差距显得更为突出。但是，经过努力使得我国模具寿命达到国外模具寿命的80%还是有可能的。

图4 发电机爪极

提高模具寿命的必要性

模具寿命高不仅降低锻件成本，稳定锻件质量，减少修模、换模的次数，提高劳动生产率，而且也是提高锻件生产率的基本保证和实现自动化生产的必备条件。例如，山东烟台通用发动机公司20MN热模锻压力机连杆锻造自动生产线，其节拍生产率12件／min，按2天4个班计算：12×60×6.5×4＝18720件。其中6.5h为每班实际工作时间，企业该条连杆锻造自动生产线模具寿命是1.5～2万件，做到2天换模。如果模具寿命短，将不能实现生产线的自动化。

模具费用一般约占锻件制造成本的8%～15%。生产中由于模具磨损和发生故障而进行模具修理，模具更换等损失时间（换模和烤模需要2～4h）约占·实际生产时间的10%～15%。外国锻造企业实行24h生产制，因为图5所示的模具断裂等问题，减去损失时间，实际有效时间也仅为16.5h，所以模具寿命的延长可以提高生产效率。

能源消耗低

锻件的能耗

一个锻件在生产过程中的能耗包括锻坯加热能耗、锻件热处理能耗，以及设备的动能消耗。动能是指驱动设备和生产过程中消耗的能量和工质（例如水、压缩空气等）。另外，模具热处理能耗也较大，一般计算在模具成本内。

⑴锻坯加热的燃料消耗。

图5 模具断裂

一般碳钢和低合金结构钢加热温度为1200～1250℃，各种燃料加热消耗能耗最低的是中频感应加热，其每千克坯料加热能耗约为0.5kWh，即0.202kg的标煤（发热值为29300kJ／kg的煤），煤气（发热值为5650kJ／m3）加热每千克坯料能耗约为0.35kg的标煤，燃煤（发热值为25120kJ／kg）加热每千克坯料能耗约为0.47kg的标煤。所以，锻造企业应采用中频感应加热。

⑵锻件热处理燃料消耗。

机械零件大量采用碳素结构钢和低合金结构钢，其锻件最常用的热处理工艺为调质、正火、等温正火和退火。

1）调质能耗。采用连续式电阻炉，全年统计，淬火每千克锻件实际耗电约为0.5kWh。采用连续式电阻回火炉，回火每千克锻件实际耗电约为0.3kWh。所以调质每千克锻件实际耗电约为0.8kWh（调质每千克锻件理论耗电为0.4kWh）。

2）正火能耗。采用连续式电阻炉，全年统计，正火每千克锻件实际耗电为0.4kWh。

3）等温正火能耗。采用连续式电阻等温正火炉，全年统计，加热和等温正火每千克锻件实际能耗约为0.7kWh。

以上数据仅供参考，因为锻件热处理能耗大小由炉型、装载方式、钢种和生产方式（休假停炉和故障停炉等各种原因反复升温）决定，其中周期加热炉比连续加热炉能耗大，例如连续式网带电阻炉或连续式铸链电阻炉能耗损失较小，而台车式电阻炉能耗损失较大。

锻件在热处理过程中要消耗大量能源，因此国外工业发达国家均高度重视锻件的余热利用，大量采用锻件余热热处理工艺，国内使用也较多。

采用非调质钢

采用非调质钢生产锻件省略了调质热处理，既节能又环保（没有调质热处理废气和废水污染物），应大力推广。国外已大量采用，例如日本90%的汽车连杆和曲轴均已采用非调质钢。

非调质钢的推广应用，需要企业把产品设计师、材料工程师和工艺工程师三者结合起来。只有他们密切合作、齐心协力才能获得非调质钢的快速发展。目前，国内大量采用非调质钢还需要国家政策支持。

利用锻造余热

从以上分析可知，锻件热处理能耗很可观，而锻件锻后温度仍很高，一般约为800～900℃，不利用就浪费了，而且还污染环境。锻造企业应利用锻件的锻后余热进行热处理，降低锻件能源消耗。

例如，图6所示的KMS发动机连杆余热淬火曲线图，锻件材料为40MnBH，质量为2.75kg。锻件校正后温度为800～900℃，零件直接滑入到校正压力机旁边的余热淬火油槽中使用快速淬火油，淬火油温控制在40～80℃，通过板式换热器来控制淬火油温度，零件在淬火油中冷却时间为3min左右，通过淬火槽中的链板传送带将零件提升并掉入料箱。

图6 KMS发动机连杆余热淬火工艺曲线图

每吨锻件综合能耗

我国综合性模锻企业每吨锻件平均能耗约0.8～1.2t标煤（数据仅供参考），所谓综合性模锻企业是指包含各种锻件全部生产工艺，并包含模具加工和热处理。节能先进的模锻企业例如东风锻造公司，每吨锻件平均能耗约为0.8t标煤。国外工业发达国家，例如日本，其锻造行业的平均水平为每吨锻件综合能耗为0.515t标煤。

我国模锻行业每吨锻件能耗费用一般约占锻件制造成本的8%～10%（不含模具热处理能耗）。所以，锻件生产评估和优化就是要达到锻件质量稳定、生产率高、材料利用率高、模具寿命高和能耗低。锻件质量优，成本低，是锻造企业永恒的追求目标，也是锻造企业提高经济效益和竞争力的必然措施。