元易创新方法在热作模具创新流程实例的应用解析

热作模具是机械制造环节中使毛坯或零件热成型的一种重要工艺装备。由于热作模具需要长时间在高温高压下工作，因此要求模具材料必须具有高强度、高硬度及热稳定性、高精度、高寿命等特点，由此热作模具越来越受到业界的广泛关注。图2-45为模具样品。

图2-45　模具样品

降低热作模具制造成本、提高其使用寿命、简化模具生产工艺并缩短制造周期成为模具制造业亟待解决的重大技术难题。

而热作模具使用的钢材品种、规格、质量对模具的性能、使用寿命和制造周期至关重要。对热作模具钢的基本要求有：①高热硬性和高温耐磨性；②高抗氧化性和耐腐蚀性；③高热强性和足够的韧性；④高热疲劳抗力；⑤高淬透性和导热性。

1）项目描述

一般的热作模具尺寸小，模具材料多为结构钢，热作模具的作用是使耐火材料挤压膨化，使材料具备优良的性能。

多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络状的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。相对于连续介质材料而言，多孔材料具有表面积大、质量轻、隔音、隔热、密度低、强度高、渗透性好等优点。现有的一种用于脱硫吸附的材料成型模具属于热挤压模具，其工作特点是加载速度慢，由此导致热作模具腔受热温度高，通常达500～800℃。所以，对这类钢材的使用性能要求应以超高温强度（即高的回火稳定性）和高耐热疲劳性能为主，而对其淬透性的要求则不高。

2）问题描述

氧化磨损现象普遍存在于材料加工、矿业、电力等领域，上述热作模具在工作状态时将承受巨大的压力和冲击力，使模具腔和高温金属接触后局部温度达500℃以上。当炙热金属被强制变形时，与模具型腔表面摩擦导致模具被氧化磨损。高温氧化磨损是热作模具的主要失效形式，提高热作模具钢的抗高温氧化磨损性能是提高热作模具寿命的关键。

由此总结出本系统中亟待解决的问题有两个：一是提高模具材料的耐高温性能和耐磨性能；二是提高模具材料的抗氧化性。

3）维度选择

本创新需求的核心问题涉及材料性能，显然其对应9类维度中的材料维和结构维，因此，应将材料维和结构维分别与9种创新法则组合并开展创新方案构思。

这一过程中，为了能够全面覆盖技术创新的可能性，将9种创新法则与选定的材料维和结构维耦合，可以得到实现理想方案的进化创新方案。表2-3为热作模具钢问题解决方案之一。

表2-3　热作模具钢问题解决方案之一

另外，本创新需求的核心问题还涉及系统的作业环境，由此要求应对9类维度中的环境维分别与9种创新法则组合开展创新联想。

为了全面覆盖创新的可能性，还应将9种创新法则与选定的作业环境维耦合，最终得到实现理想路径的进化创新方案。表2-4所示为热作模具钢问题解决方案之二。

表2-4　热作模具问题解决方案之二(www.xing528.com)

4）方案评估与选择

（1）方案一

一套完整的模具由各种各样的零件构成，各个零件在模具中所处的位置、作用不同，对材料的性能要求也不同。鉴于此，用低成本的钢材替代原钢材，虽然其寿命有所降低，但在一定时间内的总成本却能得到大大降低；同理，利用高性能钢材替代原钢材，其使用寿命大大延长，保证了总成本的降低。这种材料替代思维是解决问题的最直接方式，只要找到合适的替代品，解决问题的成本即会大幅度降低，如使用含碳量不同的结构钢，其硬度和强度将会发生较大的变化。

（2）方案二

在现有热作模具钢材形成过程中加入某种功能性材料或能够与现有钢材发生反应产生新性能的元素，能够在很大程度上改变现有材料的性能。如在钢材中加入Mn元素，钢材的耐磨性即会得到大的提升。

（3）方案三

为了提高热作模具钢材的耐磨性，从改变模具自身结构出发，在保证成孔功能基础上，可以通过改变模具孔的加工工艺，调整模具本身成孔的形状及数量以减小模具的合模力，同时减少其在挤压材料成型过程中产生的摩擦力，提高其耐磨性能。线切割、激光切割、电切割等各具特色，使用时可根据材料属性选择合适的切割工艺。

（4）方案四

当外界环境动态变化时，可通过外界作用降低结构钢被氧化的速度。在现有技术条件下，这种改进方法虽然复杂但却更有效。

（5）方案五

惰性气体在提高产品的抗氧化性能方面具有广泛的应用，可以使热作模具工作在惰性气体环境中，以避免模具与空气直接接触。同时，结构钢中的活性炭能够吸附一定量的惰性气体，使惰性气体吸附在活性炭的表面不仅能够起到抗氧化作用，还能起到去污作用。

（6）方案六

热作模具在工作状态时大多只有局部某个零件或部位会因为环境的湿度大被氧化，所以，一旦降低环境的湿度，模具被氧化的程度将会大大降低。

综上所述，通过对上述方案的分析，可以选择一种或几种比较容易实施的方案，即可得到生产成本低、应用效果好且使用寿命长的热作模具。

为了能够使改进后具备高性能的热作模具商业化，结合当前科技发展及生产工艺水平，可以采用方案三，即从结构维出发，利用局部优化原理，采用线切割方法将模具孔线性排列并反转，根据产品需求适当改变成孔数量，从而获取满足市场需求的热作模具产品。

不仅如此，同时还应运用价值工程原理，通过分析热作模具的功能与成本，预测该技术创新路径下的新产品市场化潜力，并申请专利对其予以保护。

从对上述模具创新改进的应用实例可以看出，9类创新维度和9种创新法则的提出具有科学性和有效性，在对创新问题进行分析时，能够为技术人员指明创新思路，使创新方法具有系统性和普适性。