文／王淑勇?湖州美普蘭精密鍛造有限責任公司

高速鍛模具應用及管理

文／王淑勇?湖州美普蘭精密鍛造有限責任公司

王淑勇，項目工程師，長期從事高速鍛生產線產品開發(fā)及管理，包括瑞士AMP30S、AMP50XL、AMP70XL-HFE、日本板村HF500等，主導設計生產的產品涵蓋汽車變速箱齒輪、汽車輪轂軸承、軸承等各種類型產品。其中部分技術及成果申請并獲得近20項國家實用新型專利。

高速鍛工藝興起背景

隨著鍛造技術的發(fā)展和鍛造產品市場需求的變化，鍛造設備經歷了由自由鍛壓力機、液壓機到串聯式壓力機生產線和精度更高、節(jié)拍更快的立（臥）式多工位精密鍛造設備。尤其是隨著國內汽車產業(yè)的高速發(fā)展，如圖1所示，使得人們對鍛造產品的種類和精度的要求越來越高。較其他生產工藝而言，因為生產周期短和環(huán)境污染小、產品精度高、資源消耗少等優(yōu)點，使得越來越多的鍛造廠商趨向于采用高速鍛造工藝生產。

圖1 汽車銷量及增長率情況

對于那些動輒月銷量在4～6萬輛的車型來說，汽車鍛件供應商為了滿足市場對于產品質量和交期的要求，就不得不考慮采用材料利用率更高、精度更高、生產效率更高的高速精密鍛造生產工藝進行生產。

要想充分發(fā)揮高速鍛的上述優(yōu)勢，創(chuàng)造更大的效益，就必須努力提高設備的有效開機率。以某生產汽車變速箱齒輪零件為主的高速鍛生產線為例，設備運行節(jié)拍為60～100spm。以常用的80spm計算，其理論產能為4800件/小時。要想保持如此高效的生產，除了要保證設備狀態(tài)良好，物料轉運正常以外，模具的設計、制作、裝配、潤滑也必須保證在一個科學合理的水平，如圖2所示。

圖2 高效率生產模式

高速鍛模具的設計與制造

高速鍛高效生產的關鍵從科學的模具設計開始，為了控制模具的成本，高速鍛模具通常采用組合式模具結構，如圖3所示。典型的模具結構包括沖頭、夾持芯桿、凹模、頂桿、沖（凹）模套、墊塊等。同時需要注意的是，在鍛造生產時，必須對接觸高溫毛坯的模具部件進行充分地冷卻。因此頂桿需設計成帶有出水孔的中空結構以便引入水流對凹模進行冷卻。如圖4所示。

圖3 組合式模具結構

圖4 帶有出水孔的中空結構

同時，由于高速鍛的機械手傳送系統(tǒng)對不同工位的變形程度有一定的限制，所以高速鍛工藝設計過程通常還須兼顧傳送機械手的要求。

好的模具設計還需要好的模具制造工藝來保證，包括模具材料的選擇，模具加工，模具熱處理和表面處理工藝都要針對高速鍛工藝特點進行相應的優(yōu)化。

高速鍛模具的準備

為更好地支持鍛造設備的無障礙生產，解決模具準備涉及的交期、質量、成本問題，就必須從計劃或協(xié)調層面解決這些問題，對模具零件進行類別區(qū)分，并使用BOM管理系統(tǒng)進行適當評估，制訂相應的采購或制造計劃，如圖5所示。

圖5 模具BOM管理系統(tǒng)

但無論是自行制造還是外購，都應特別注意以下幾點。

⑴為模具制造制定相應質量要求規(guī)范。

⑵制訂相應的備件計劃，以免因零件缺失造成長時間停機。

⑶模具熱處理和表面處理對于模具壽命至關重要。

⑷模具制造應由具有專業(yè)知識和技能的人員完成。

⑸定期對設備進行維護保養(yǎng)，保證模具在具有良好工況的設備中使用。

⑹應嚴格遵守交貨時間規(guī)定。

⑺對模具制造要精益求精，嚴格保證模具質量。

高速鍛模具質量控制

安裝到設備的模具零件必須滿足質量要求。如果模具尺寸不符、硬度不符合要求或表面處理不當（或未進行表面處理）將導致生產不順利，甚至無法進行生產，因此對于有質量問題的模具部件必須及時處理。需保證正確的檢驗流程和精密的測量儀器，如圖6、圖7所示。

高速鍛模具的使用——冷卻與潤滑

由于高速鍛工藝過程工件溫度高、節(jié)拍快、成形工藝特殊等原因，鍛造過程會有大量的熱量傳導到模具上，為了防止或避免模具過快地磨損，減少因模具壽命低導致的換模停機，提高高速鍛生產線的效率，高速鍛生產線需要一個高效的模具冷卻潤滑系統(tǒng)。整套系統(tǒng)分為外部冷卻（圖8）和內部冷卻（圖9）兩種模式。比如凹模和頂桿需要承受周期性熱應力和成形力，這些模具就需要在模具設計時設計成中空結構并引入循環(huán)水系統(tǒng)對模具進行冷卻。

除此之外，對于沖頭等模具還需要有專門的噴淋機構對模具進行直接噴淋。同時，冷卻水中含有特定的潤滑劑。不同生產節(jié)拍的鍛造線，必須根據工藝的需要、環(huán)境的要求和設備的情況選用合適廠家和牌號的潤滑劑。

高速鍛模具更換和維護策略

由于設備的運行產出收益較高，從經濟性考慮必須盡量延長生產線的運行時間。為減少換模的停機時間，模具應在設備外完成預先裝配。因此，每一工位的模具應按照裝配圖樣選擇合適的部件進行裝配并安裝至各自的模座。更換模具的具體目標就是讓設備的停機時間（也就是生產停止的時間）最短，圖10所示。

圖6 模具零件檢驗流程

圖7 精密的測量儀器

圖8 外部冷卻

圖9 內部冷卻

圖10 更換模具

與此同時，下述準備工作也必須完成。

⑴模具準備人員應按照適用的鍛件產品對其歸類整理。

⑵根據下達的鍛件生產任務，預先按照模具零件清單和裝配圖樣在設備外完成模具裝配。

⑶根據模具設定記錄表完成模具的調整，并確保各尺寸與最近的生產狀態(tài)保持一致。

⑷生產任務完成后，將要更換的模具吊裝至模具存放區(qū)域。

整套模具更換和易損件的更換必須協(xié)調進行以避免不必要的停機。不同易損件的使用壽命有很大的差異，有些易損件的壽命可達幾十萬件，而有些壽命只有3萬件甚至1萬件。確定易損件更換時間時，應綜合考慮是只更換達到預期壽命的易損件，還是一次性更換全部易損件并保持較長的連續(xù)生產時間更為經濟。一般而言，易損件的更換需成套進行。

模具失效分析與持續(xù)改進

必須對易損件進行準確地壽命評估和管理，過低或者過高的易損件壽命評估都可能會增加生產的成本。如何從模具結構的應力集中、模具材料、熱處理、表面質量、硬度選取等方面快速分析、解決和優(yōu)化現場模具的早期失效問題是鍛造企業(yè)必須具備的技術基礎。圖11為模具失效比例圖。

圖12零件是因設計、使用不當導致的模具冷卻效果不佳，必須提前更換。下一輪生產前必須對冷卻系統(tǒng)加以改善。

圖11 模具失效比例圖

圖12 不良零件

結束語

目前受制于設備、工藝設計的制約，還存在高速鍛工藝產品類型相對較少，投資較大、對人員經驗能力要求高等問題。未來，如何不斷對高速鍛設備進行優(yōu)化，充分地利用計算機輔助設計、有限元分析、新模具材料、新的表面處理、現場管理等技術提高高速鍛工藝的市場競爭力，是高速鍛造行業(yè)需要不斷努力的發(fā)展方向。