降低沖模零件材料成本的方法研究

程旺軍， 曾月， 孫耀寧， 崔棟棟

（1.新疆大學 機械工程學院， 新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆大學 機械工程博士后流動站， 新疆 烏魯木齊 830017）

0 引 言

模具被稱為“工業之母”，其制造和應用技術是現代制造行業的核心，模具制造技術已成為衡量一個國家制造業水平的指標之一[1-2]。模具是重要的工業設備，作為一種高效的生產工具，關系到產品質量、經濟效益以及新產品開發的周期[3]。模具按制造材料分為金屬模具和非金屬模具，金屬模具是由模具鋼材制造，沖模是其之一，主要包括模座、凸模、凹模及導向機構，如圖1所示，適用于大規模生產，模具精度高、制造周期長、制造費用高，同時受生產設備限制，模具尺寸不能太大。非金屬模具主要應用于小批量、大型和異形制品的制造，模具材料類型可按產品規格、數量等選用，一般選用石膏、水泥、石蠟、木材、硅膠等制造。簡易模具也可采用復合材料制作且能多次使用，以達到降低模具制造成本的目的。

圖1 金屬沖模

模具制造過程中成本控制很重要，其主要目標是控制費用，并持續減少費用。在模具設計與生產中，材料的成本控制指設計者通過對各種因素和條件的調整和預防，以確保在不影響模具工作環境和工藝性能的情況下，盡量減少制造成本。沖模的成本一般由設計成本、加工費用、材料成本、設備折舊費用及不可預見費用等組成，這些費用在模具的成本中所占比重都不同，其中材料費包括鑄件、鍛件、標準件、非標件費用，占比達40%，其次是外協費用，占比達32%，其他費用占比28%。

目前金屬模具零件材料選擇以鋼材為主，由于新型復合材料應用在模具制造中的成功案例較少，模具企業不太愿意冒風險生產，同時模具生產所需配套條件高，模具企業更傾向于選擇在鋼材市場需求量大而廣的常規材料[3]，而忽略了低成本材料的替換，合理的材料替換與結構設計是降低沖模總制造成本的關鍵。

1 模具零件材料設計成本

模具成本構成較復雜，可通過模具成本費用和出售價格計算，其中模具成本與報價之間的計算為[4]：

其中，P為模具報價；C為模具成本；I為利潤；R為稅收；J為加工成本；L為材料成本；W為外購標準件和非標準件的成本；S為設計成本；Y為包裝運輸成本。

加工成本：

其中，l為總的加工工序；Ti為某種工序加工工時；Fi為某種工序加工工時的成本；K表示系數。

材料成本:

其中，E為模具板材成本；X為模具鑲件材料成本；B為模具標準件成本。

標準件和非標準件成本應由使用體積量以及每體積的單價組成：

其中，m為總的材料種類；Vi為某種材料的體積或者件數；Fi為某種材料的價格。

設計成本：

其中，D為成形工藝分析與結構設計成本；M為需要編程零件的編程成本；T為檢測成本；A為工藝分析與成形過程分析成本。

運輸成本:

其中，G為模具包裝成本；H為裝卸搬運成本；N為租賃運輸工具成本。

由于模具零件標準化程度不斷提高，除工作構件外，其他零部件已基本達到標準化、專業化，模具零件材料的設計費用主要由標準件和非標準件兩部分組成[5]。標準件可通過市場購買獲得，價格由市場決定，因此模具零件材料設計成本通過對非標準件成本的合理控制實現，非標準件成本主要由沖模零件材料決定。模具零件材料需根據模具服役條件、加工能力、材料性能及其他因素來選擇，一般應選擇硬度高、彈性模量大的材料[6]，合理的材料選擇和結構設計可確保模具結構合理、較高的材料利用率并能延長模具的使用壽命。在模具制造過程中，材料選擇不當或材質不良會導致模具損壞或報廢，造成模具開發成本的失控。

2 沖模制造成本

沖模制造成本主要由模具結構設計和制造工藝決定。模具的工藝成本是指模具加工制造時由生產工藝所產生的成本，工序復雜度、工時耗時、設備先進度、工人熟練度和生產周期等都將影響模具的工藝成本。模具制造工藝不合理會引起模具制造成本的增加，如加工時殘留的刀痕、磨削痕、鍛造裂紋以及后續熱處理缺陷等引起的局部應力集中。模具零件加工過程中，切削力和切削熱量影響也會使零件表面金屬層的金相組織、顯微硬度以及殘余應力發生改變。因此，模具的制造技術水平是影響沖模經濟成本的重要因素之一，工藝優化才能保證以較低的制造成本生產高質量的產品[7]。

3 降低沖模制造成本的方法

根據分析失效模具的統計數據，在引起模具失效的各種因素中，熱處理不當約占45%，選材不當、模具結構不合理約占25%，工藝問題約占10%；潤滑問題、設備問題等因素約占20%。因此在模具設計和制造過程中，選用合適的材料、合理的熱處理和模具結構可延長模具的使用壽命，降低模具的制造成本[8-9]。

從模具零件選材和加工范圍考慮，大多數鋼材都可達到所需的性能要求，但要綜合考慮模具的使用壽命、生產率以及生產工藝難易程度，必須同時考慮模具的生產成本、工藝及使用性能等因素[10-11]。由于部分模具采購者片面、單純地降低模具價格，忽視模具設計質量，只選擇低端材料和低檔模具標準件，不合理地簡化模具結構、縮減制造工藝，不但不能保證模具長時間、低成本生產，而且會影響生產產品質量和模具的使用壽命，必須在保證模具質量的情況下降低生產成本。在前期多年生產實踐經驗的基礎上，提出6種可降低沖模制造成本的方法，即填充法、替換法、桁架法、焊接法、拆分法、澆鑄法。

3.1 填充法

模具鋼價格昂貴、成本高，且在工業實際生產應用中有些模具鋼體積大、質量重，不利于安裝和拆卸。為克服上述困難，在保證不影響鍛造品質的前提下，可以在模塊中填充一些質量輕、價格便宜的氧化鋁粉、沙子、大理石粉、石英陶瓷或廢鐵粉等，并用有機粘結劑如環氧樹脂或無機黏結劑磷酸氧化銅等與其均勻混合，并用熱壓力進行粘結。填充法制造原理如圖2所示，工藝過程為：配制粘結劑→與填充物混合→清洗粘結面→模具零件定位→填充混合物→熱壓粘結固化→冷卻時效處理。

圖2 填充法制造原理

3.2 替換法

鋼的種類不同，制造成本也不同，價格相差也較大，如1 000 kg45鋼的平均價格（8 000元/1 000 kg）比1 000 kgH13（20 000元/1 000 kg）模具鋼的平均價格便宜近40%（2022年市場價）。模具中整個模塊各部分的受力情況不同，在成形產品的部位受力最大，損壞也最快，中間次之，邊緣最小，整體滿足不均勻的正態分布模型。在不影響模具零件品質的前提下，為了提高模具零件材料的利用率，可以用便宜的普通鋼或廢鋼替代價格昂貴的模具鋼，既節約材料，又降低了模具的制造成本，如圖3所示。

圖3 替換法制造模具零件

3.3 桁架法

桁架法是建立合理的數學和力學模型，通過計算模塊內部各部分的受力情況，根據力學平衡替換的方法，將實體模塊用力學桁架結構替代，主要是為了減輕模具的質量，有利于模具的安裝和拆卸，另外桁架結構的力學特性穩定，可以保證組合模塊較高的強度，制造原理如圖4所示。桁架結構的設計原則是根據概率極限狀態設計方法，即在給定的使用壽命和特定的條件下，考慮桁架的承載能力極限狀態和正常的使用極限狀態[12-13]。在沖模中利用桁架結構，首先保證桁架的承載能力滿足使用要求，其次要考慮一些隨機變動因素，如載荷、材料性能、截面特征、施工質量等，盡量做到符合設計合理、安全可靠、經濟合理以及質量保證等要求。

圖4 桁架法制造模具零件

3.4 焊接法

模具零件鑄造過程中，由于受沖擊載荷和循環載荷的影響，鑄件容易出現疲勞，當應力小于極限強度或者小于屈服點時，鑄件就會出現脆性斷裂[7]。為了節約模具零件材料，提高鍛件型腔周圍的強度，可以在型腔部位焊接性能較好的高強度模具鋼，增加局部的強度。另一方面大型模塊一般使用線切割或電火花加工成整體式，并不是模塊的每一部分都受到有效的鍛造載荷，為了便于安裝，節約模具零件材料成本，在一些受力較小的部位焊接一些價格便宜的普通鋼材料，在不影響鍛造品質的前提下，盡最大可能降低模具零件設計成本。當模具零件出現局部磨損或斷裂時，可以用焊接法進行局部修復，以達到節約模具零件材料，提高生產效率的目的，制造原理如圖5所示，工藝流程為：模具零件焊前預熱→清理焊接面→釬焊或堆焊→木炭緩冷→去應力退火等。

圖5 焊接法制造原理

3.5 拆分法

根據模具結構及其受力特點，在總體尺寸不變的情況下，將大模塊拆分成小模塊，通過拆分和再裝配，形成一種結構更優、強度更高、裝配更方便的組合模具，如圖6所示的多層組合凹模，凹模強度得到了提高，且降低了材料成本。

圖6 拆分法制造凹模

3.6 澆鑄法

澆鑄法主要針對一些加工困難復雜的模具零件，根據模具零件形狀先制成芯子，再根據芯子的形狀制成模具零件形狀的砂型，用普通鋼水澆注形成模塊。最后在模具成形產品的部位焊接高強度的模具鋼或用合金如鋅基合金滿足制模要求[13]。模具零件常用鑄造工藝方法主要有金屬型鑄造、砂型鑄造和石膏型鑄造等，制造原理如圖7所示。砂型鑄造凸模工藝過程為：制模樣→固定→放砂箱→填型砂→樁實→翻箱起模→檢查修整砂型→澆注融化合金→冷卻清理→精整強化表面。砂型鑄造凹模工藝過程為：選蒙皮材料→貼凸模模樣→固定→澆注石膏過渡樣→冷卻凝固→合模烘干→放砂箱造型→起模修型→澆注合金→冷卻清理→精整強化表面。

圖7 澆鑄法制造模具

4 結束語

在當前能源緊缺的情況下，節約材料成本，減少材料浪費，在低碳環保方面起著重要的作用，上述方法通過節約模具材料和改進模具結構設計，提高材料利用率，以降低模具制造成本，這些方法具有廣闊的發展前景和應用空間，但也存在一些不足，如制造模具周期可能延長，工藝復雜，組合模具的強度可能不完全滿足鍛造的要求。沖模制造成本也受其他因素影響，如模具零件新材料的應用，多余廢料的應用，坯料形狀和零件形狀等。僅從模具設計與制造工藝兩方面考慮沖模制造成本不現實，還應與模具生產企業的管理水平和經驗結合進行考慮。