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(zhǎng)期以來(lái)，自由鍛工藝生產(chǎn)效率低，鍛造后加工余量大，容易發(fā)生鍛造缺陷造成產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，已經(jīng)不適應(yīng)公司對(duì)大批量高要求零部件的生產(chǎn)要求?；诠窘档统杀?、提高生產(chǎn)效率的目標(biāo)，針對(duì)大批量生產(chǎn)的零部件的鍛造工藝，開(kāi)展模鍛替代自由鍛的工藝降本研究工作，非常具有實(shí)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(duì)坯料施加外力，使坯料產(chǎn)生變形而獲得所需外部形狀及內(nèi)部性能的鍛造加工方法。其特點(diǎn)是逐步改變坯料的形狀和尺寸，因此，所需設(shè)備功率比模鍛要小得多，可以用較小設(shè)備鍛造較大鍛件。自由鍛的鍛件精度低，生產(chǎn)效率低，適合小批、單件、大型鍛件的鍛造生產(chǎn)。

模鍛是把加熱好的坯料放在固定于模鍛設(shè)備上的模具內(nèi)進(jìn)行鍛造的方法。模鍛的特點(diǎn)是在鍛壓機(jī)器動(dòng)力作用下，熱透坯料在鍛模型腔中被迫塑性流動(dòng)成形，從而獲得比自由鍛質(zhì)量更高的鍛件。

2 成本分析比較

針對(duì)公司鍛件類零件，進(jìn)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(jí)齒輪，材質(zhì)為40Cr圓鋼。

表1 齒輪自由鍛和模鍛成本分析

表1是低速級(jí)齒輪自由鍛和模鍛的成本分析，按照未稅價(jià)來(lái)計(jì)算，原材料為直徑為190mm的40Cr圓鋼，材料單價(jià)為當(dāng)時(shí)的最新采購(gòu)價(jià)。

由表1的成本分析具體數(shù)據(jù)，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(jié)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(fèi)用單價(jià)高，模鍛為2.5元/kg，自由鍛為2元/kg。即使計(jì)算上鍛模成本4元/件，模鍛的鍛造費(fèi)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(dāng)大的成本優(yōu)勢(shì)。

由模鍛工藝的鍛件圖和自由鍛的鍛件圖（見(jiàn)圖1）可知，對(duì)于形狀復(fù)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(lái)看，采用模鍛工藝的低速級(jí)齒輪與采用自由鍛的區(qū)別就在于，在沒(méi)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的凹槽內(nèi)，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(jìn)行后道機(jī)加工了。

3 技術(shù)分析比較

除經(jīng)濟(jì)性方面成本分析比較外，另外提出了從技術(shù)性角度對(duì)模鍛和自由鍛進(jìn)行工藝性評(píng)價(jià)。下文以齒輪為例，從三方面進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)試驗(yàn)。

3.1 力學(xué)性能

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》。

表2 拉伸試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)

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

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》。

表3 夏比沖擊試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)

Charpy Impact Test作為一種動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，用以測(cè)定金屬材料抗缺口敏感性（韌性）的試驗(yàn)。由表3可知，采用模鍛工藝的材料在抗沖擊的韌性指標(biāo)上要明顯優(yōu)于自由鍛材料。

3.2 鍛造流線

低倍檢驗(yàn)報(bào)告對(duì)模鍛和自由鍛的鍛造流線進(jìn)行了對(duì)比，檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果說(shuō)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(yàn)

高倍金相檢驗(yàn)，檢測(cè)依據(jù)為GB/T 13299-1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》和GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》。

從材料組織結(jié)構(gòu)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(shí)具有較高的強(qiáng)度，因此，具有良好的綜合力學(xué)性能。此外，實(shí)測(cè)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(xì)一點(diǎn)。

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(shí)未鍛合造成的，屬于自由鍛特有的鍛造缺陷。由此可見(jiàn)，自由鍛與模鍛這兩種不同的鍛造工藝對(duì)鍛件本身內(nèi)在的產(chǎn)品品質(zhì)要求的高低還是存在一定程度的影響。

3 結(jié)論

作為模鍛代替自由鍛的工藝降本研究的項(xiàng)目結(jié)論，根據(jù)試點(diǎn)零部件的試制結(jié)果，從以下三點(diǎn)來(lái)概括闡述模鍛的適用性。

第一，模鍛工藝適合于大批量產(chǎn)品：模鍛的生產(chǎn)效率較高，生產(chǎn)過(guò)程操作簡(jiǎn)便，勞動(dòng)強(qiáng)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(fù)雜的產(chǎn)品：模鍛件尺寸精度較高，表面質(zhì)量也比自由鍛好，對(duì)于精度要求不高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以代替機(jī)加工表面。

第三，模鍛工藝適合于要求較高的產(chǎn)品：通過(guò)本項(xiàng)目進(jìn)行的鍛造流線和金相檢驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，模鍛可以使金屬流線的分布更為完整合理，從而進(jìn)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(fā)生鍛造缺陷（如自由鍛特有的疏松缺陷）的幾率。

以上是本項(xiàng)目研究成果得出的，針對(duì)公司的常規(guī)鍛造產(chǎn)品，模鍛與自由鍛相比的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。但是，模鍛在應(yīng)用范圍上也有一定的局限性。

模鍛生產(chǎn)受模鍛設(shè)備噸位限制，因此，模鍛件的質(zhì)量一般在150kg以下，如對(duì)于中高速梯曳引機(jī)的主軸類零件，自由鍛是目前唯一的成型鍛造方法；模鍛設(shè)備投資較大，鍛模費(fèi)用較昂貴，且壽命較低，本項(xiàng)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(jiǎn)單，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期尤其是鍛模制造周期都較長(zhǎng)，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(chǎn)，不適合單件小批量生產(chǎn)以及中、大型鍛件的生產(chǎn)。