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前言
十年的市場化道路，使我們深切體會到產品交貨期的重要性。我公司每年生產各種曲軸鍛件過百萬，每年新制或翻新曲軸模具近千付，模具作為鍛件生產的關鍵工裝，其交貨期對鍛件產品交貨期至關重要。以我公司曲軸產品為例，從接受訂單開始設計鍛件圖到向客戶交付樣件，模具制造周期約占整個新品開發周期的50%，模具交貨期日益成為新產品開發成敗的關鍵因素。縮短交貨期，提高競爭力，擴大市場份額，是企業始終追求的目標。
1．模具制造工藝現狀
模具制造的主要工序是模具型槽加工，我公司模具型槽加工工藝經歷了三個階段。在六、七十年代模具型腔加工以靠模銑、普通電火花為主，曲軸模具制造周期約60天。八、九十年代開始向數控電火花、數控銑方向發展，曲軸模具制造周期縮短到45天左右。進入二十一世紀，數控加工技術尤其是高速加工技術發展迅速，成為模具型腔加工的主要工藝方式，經過幾年不懈的努力，目前模具型腔加工已全部實現了數控化，曲軸模具制造周期縮短到21天左右，加工效率較傳統工藝提高3倍。模具加工工藝流程為鉆起重孔-外形粗加工-頂料孔加工-數控粗加工型腔-熱處理-外形精加工-數控精加工型腔-鉗工拋光。
從上述工藝流程中可以看出，熱處理工序在整個模具加工工藝的中間。大型曲軸模具材料一般為5Cr2NiMoVSi，模具熱處理工藝是一次淬火，兩次回火，約需4天的時間。今后要想更進一步縮短模具交貨期，如把模具制造周期縮短為2周甚至1周，不改變模具熱處理方式是不可能的。因此，除了持續不斷地優化數控程序、合理選擇數控刀具等措施來提高加工效率外，我們還要從模具熱處理方面著手。為此提出了應用預硬模具鋼來縮短曲軸模具制造周期的加工工藝。
2.預硬模具鋼的特點
所謂預硬模具鋼是指在模具鋼出廠前由模具鋼生產企業進行模具最終熱處理，模具硬度已達到使用要求，模具制造企業購進模具鋼后直接進行粗、精加工，中間不再進行熱處理。相對于傳統模具來講，省去了需要淬硬、回火的繁瑣工序，更有利的一點是，避免了模具在淬火過程中變形、龜裂、伸縮等，保證了模具型腔的尺寸精準。同時，預硬模具鋼在材料成分上控制嚴格，有害的、不純凈物的成分含量非常低，它的熱穩定性好，高溫強度高和耐熱龜裂性高，這些優良性能都使模具在鍛件生產中保持很長的模具壽命，生產的鍛件一致性高。我公司接觸的預硬模具鋼供應商分別來自日本和美國。日本預硬鋼有一個特點，就是各向同性。對于鍛造工藝而言，就是可不用考慮鍛打方向是否與模塊纖維方向垂直。因此模具鋼生產企業不用等收到各種尺寸規格的模塊毛坯再進行鍛造，而是事先按照一定的規格尺寸成系列地鍛造好模具毛坯，模具廠購買毛坯后可根據需要切割成各種尺寸規格的模塊，由于不用考慮材料纖維方向，六面中的任何一面均可加工型槽，縮短了模具制造企業的訂貨周期。美國的一家預硬鋼生產企業擁有獨特的寬模鍛造技術和高效水淬火處理工藝，尤其是對于截面尺寸較大的模具，淬透性很好。我國在模具材料的預硬化技術方面，起步晚，規模小，目前還不能滿足國內模具制造的要求。
3．預硬模具鋼加工工藝分析
由于數控刀具特別是涂層技術的飛速發展，數控刀具加工淬硬鋼已經沒有問題， 我公司從07年開始應用預硬模具鋼進行工藝試驗，對整個加工過程進行跟蹤，主要目的是了解預硬鋼加工過程中刀具消耗情況、切削參數如何設置、加工策略的選擇及加工效率等問題，為今后推廣預硬模具鋼加工模具做技術儲備。下面針對兩種曲軸模具加工工藝進行對比分析。
現行曲軸模具加工工藝 預硬鋼曲軸模具加工工藝
3.1加工工序縮短 從上面2種不同的工藝可以看出，首先是模具外形一次加工成形，省略了熱處理后外形精加工及型槽加工后的基面、斜面修銑兩道工序。二是型槽不用分粗精加工，簡化了數控加工工藝，熱處理后一次加工成形。總工序由11道減少到5道，制造周期大為縮短。原曲軸模具制造周期是21天（按兩班制256÷16=16天，熱處理4天，工序間周轉1天），預硬模具鋼制造周期只要13天（196÷16=12天，工序間周轉1天），縮短制造周期38%。
3.2工時費用減少
加工工時從256小時減少到196小時，減少了60小時。其中數控工時減少168-128=40，普通設備工時減少58-40=18。數控工時按100元計算，普通工時按30元計算，
節省工時費用為40×100＋20×30=4600元。
數控工時的減少主要是因為型腔一次加工到位，不用考慮余量，因此節省了原工藝中半精加工的工時。
3.3刀具成本增加
相對于傳統工藝，刀具消耗有所增加。加工六面盤銑刀片、孔加工刀具、加工型槽鑲片刀具費用增加。六面加工盤銑刀，直徑φ160，裝10片刀片，根據統計，熱處理后加工要多廢20片，約260元；普通麻花鉆（W18Cr4V）已無法加工預硬鋼，需采用數控機床用機夾式鉆銑刀，消耗刀片8片，約400元；粗加工型槽鑲片刀有兩種，φ50鑲片刀（3刃）、φ30鑲片刀（2刃），φ50鑲片刀多消耗6片，φ30鑲片刀多消耗2片，共8片，約240元。共計900元。
結論：制造周期縮短38%，刀具消耗增加900元，總制造成本降低4600-900=3700元/付。
4. 預硬模具鋼工藝要求
自上個世紀70年代開始，國際上就提出預硬化的想法，但由于加工機床剛度和切削刀具的制約，預硬鋼的硬度無法達到模具的使用硬度，所以預硬化技術的研發投入不大。加工預硬模具鋼主要有兩方面的要求，一是機床的剛性，二是刀具的切削性能。我公司數控銑床大部分主軸電機功率為18.5/22KW，最高轉速為6000rpm，齒輪傳動，BT50刀柄，低速扭矩大，可進行強力切削。承載導軌采用矩形滑動四導軌形式，工作臺承重2噸（最大模塊重量1.5噸）。能夠滿足預硬模具鋼的加工要求。模具加工用刀具主要分三大類：外形加工刀具，主要是盤銑刀，我公司模塊來料要求六面見光，單面余量2mm，最終熱處理硬度在42-47HRC，由于余量較小，用盤銑刀加工六面沒有難度；孔加工刀具，需采用數控機床用機夾式鉆銑刀；型槽加工刀具，主要指數控加工刀具，共兩大類，一種是鑲片刀具，φ12以上，一種是整體硬質合金涂層刀具，φ10以下，目前數控刀具加工50HRC以下硬度沒有問題。
5. 結束語
基于上述分析，使用預硬鋼的好處是模具制造工藝更加簡化，不用考慮熱處理工序的安排，不用考慮熱處理變形及余量的問題，模具外形、型槽、頂料孔等不分粗、精加工，加工工序集中，進而縮短了模具制造周期，同時也提高模具的制造精度。可以預見，隨著加工設備、刀具技術的不斷進步，由于中間不需進行熱處理工序，即使是大型曲軸模具，也完全有可能在1周甚至3天以內加工完成，極大地縮短整個新品的開發周期。
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