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| 精密体积成型模具的设计制造与模具寿命 |
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发布时间：2009/9/3
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面对廿一世纪的国内建设形势，企业要适应市场经济的发展，作为国家支拄产业的汽车工业将加大轻、微、轿车的产量，因而对模锻件的精度提出了更高的要求。在生产过程中，提高模具寿命是一个复杂的综合性问题。所有锻压工艺，特别是净形和近似净形加工工艺，在很大程度上取决于模具的精度和品质，取决于模具的技术水平。模具技术反映在模具设计和制造上，而模具寿命除与上述两个环节有关外，还与使用环节有关。
提高模具寿命有极大的经济效益，一般在试生产阶段模具工装费用占生产成本的 25% 左右，而定型生产时仅为 10% 。
模具的早期失效形式，多为凸模断裂、模膛边缘堆塌、飞边遭桥部龟裂、模腔底部发生裂纹。影响模具寿命的因素较多，涉及面广，模具设计是模具寿命的基础。模具设计环节是指模具的结构设计、成形模腔设计和确定模具钢种、模具硬度等。模具制造环节是指制模工艺、热处理规范和表面处理技术等。本文仅从模具设计和模具制造两个方面探讨提高模具寿命的措施。
2 、合理设计精密体积成形件 ( 精锻件 )
模锻件应尽量避免带小孔、窄槽、夹角，形状要尽量对称，即使不能做到轴对称，也希望达到上、下对称或左、右对称。要设计拔模斜度，避免应力集中和模锻单位压力增大，克服偏心受载和模具磨损不均等缺陷。
对于锻模模腔边缘和底部圆角半径 R ，设计时应从保证锻件型腔容易充满的前提下尽可能放大。若圆角半径过小，模腔边缘很容易在高温高压下堆塌，严重者会形成倒锥，影响模锻件出模。如底部圆角半径 R 过小而又不是光滑过渡，则容易产生裂纹且会不断扩大。
设计模具时应充分利用 CAD 系统功能对产品进行二维和三维设计，保证产品原始信息的统一性和精确性，避免人为因素造成的错误，提高模具的设计质量。产品三维立体的造型过程以在锻造前全面反映出产品的外部形状，及时发现原始设计中可能存在的问题，同时根据产品信息，用电脑设计出加工模具型腔的电极，为后续模具加工做好准备。
采用 CAM 技术可以将设计的电极精确地按指定方式生产。采用数控铣床 ( 或加工中心 ) 加工电极，可保证电极的加工精度，减小试模时间，减少模具的废品率和返修率，减少钳工劳动量。
对于一些外形复杂，精度要求高的锻件，靠模具钳工采用常规模具制造方法保证某些外形尺寸而采用 CAD/CAM 技术可以对这些复杂的锻件进行精确的尺寸描述，确定合理的分模面，保证合模精度，从模具制造这一环节确保产品精度。
CAD/CAM/CAE 技术可以进行有限元分析，对关键部位的尺寸设计是否合理可以提供修改依据，从而在为客户提供高质量锻件的同时，也为客户的设计提供了依据，加强了与客户的合作。成形是模锻过程中最重要的工步，模锻件的几何形状是靠锻模来保证的，模锻过程中要全面考虑各种因素，尤其是对生产中可能发生的或已暴露出的问题，在模具设计时应采取措施减轻后续工序的加工难度。按照这一原则在预防为减少模锻件开裂与变形，提高锻件合格率方面，可以有针对性地采取一些对策和措施。如锻件的某些部位在切边和冲孔时易变形而影响产品质量时，可在锻模设计上适当增加相应变形部位的加工余量予以补偿，这一点对于切边时锻件变形大的薄法兰更为重要。对一些带有杆部且杆部直径相对较小的锻件，在切边和热处理过程中会产生有规律的几何变形，而用冷校正方式无法或难以校直。如某厂生产的 TS60 曲轴，可根据实践经验和统计数据预先将中心线在一定范围内变形方向反向偏移一定的预补反变形量。
3 、合理设计锻压工艺
目前，一般企业无健全的工艺试验室，缺乏工艺试验条件，客观上要求工艺方案必须正确，一次成功。尤其步入市场经济以后，企业负责人要求锻造技术人员只能成功，不许失败，这就给工艺设计人员带来了较大的困难，要求工艺人员要具有较高 的水平，但即使具有丰富实践经验的工艺人员也难免会感到棘手，一旦失误就会造成较大损失。
对于切边时存在容易撕裂部分的锻件可在设计飞边槽时有意减薄薄弱部分飞边桥部的高度，以降低切飞边时此处的切割厚度。如 S195 连杆，材料为 45 钢，锻后冷切边，大头搭子部位由于截面形状小、料薄，在切边时经常出现搭子及附近筋部撕裂，废品率高。若改为锻后余热切边则可提高切边质量，但由于切边受模锻生产节拍的限制，效率低。而在设计锻模时减薄此处飞边桥的高度，减少此处飞边冲裁力，可以大大减少切边撕裂。
对于冷挤压工艺，必须最大程度地软化毛坯及减少变形时的磨擦力，严格控制变形程度和各工序变形程度的合理分配。
一般低碳钢、碳钢及低碳合金钢的软化退火工艺为：加热至 760 ℃保温 4h ，以 20 ℃ /h 的冷却速度冷到 680 ℃保温 3h ，再以 20 ℃ /h 的冷却速度冷却到 640 ℃后随炉冷却到 350 ℃出炉。硬度一般可达 125 ～ 155HB 。
含碳量小于 0.2% 的碳钢，钢材经退火后硬度可小于 120HB 。钢材经软化退火后再经滚光、酸洗、磷化、皂化后再涂猪油拌 MoS 2 润滑，可降低变形负载，有效减少凸模、压模圈、接头体的断裂失效。采用多工序小变形的冷挤压方法能有效地降低模具承受的单位挤压力，工序间坯料可不进行软化处理，使模具寿命得以延长。国内某些厂家在挤压生产时贪图一时之便，减少挤压工序，虽然也能把样品 ( 或产品 ) 做出，但模具负荷太大，容易出现断裂失效。这种急功近利的做法是我国冷挤压工艺曾经一轰而起未能迅猛发展的主要技术原因之一。采用锻模 CAE 软件，可以分析材料的流动情况、磨擦阻力以及材料的充腔溢料情况，帮助设计人员有效合理地进行工艺设计。
4 、合理的模具结构设计
模具结构设计主要考虑导向精度合理、冲裁间隙恰当、刚性好，还要考虑尽量采用组合式模具。 模架应有良好的刚性，不要仅仅满足强度要求，模板不宜太薄，在可能的情况下尽量增厚，甚至增厚 50% 。多工位模具不宜仅用 2 根导柱导向，应尽量做到 4 根导柱导向，这样导向性能好。因为增加了刚度，保证了凸、凹模间隙均匀，确保凸模和凹模不会发生碰切现象。浮动模柄可避免压力机对模具导向精度的不良影响。凸模应夹紧可靠，装配时要检查凸模或凹模的轴线对水平面的垂直度以及上下底面之间的平行度。在冷挤压时，凸模和凹模的硬度要合适，要充分发挥强韧化处理对延长寿命的潜力。如 W6Mo5Cr4V2 钢冷挤压凸模，当硬度≥ 60HRC 时可正常使用，寿命为 3000 ～ 3500 件。但如果凭经验认为硬度低、塑性好，寿命一定延长时就会大失所望，当硬度为 57 ～ 58HRC 挤压工件时，凸模的工作带会镦粗。某厂检测挤压第 1 件以后凸模的工作带尺寸发现，镦粗增大量为 0.01 ～ 0.04mm 。
对于热挤凹模就不能套用冷挤摸的经验，当把 3Cr2W8V 钢热挤凹模的硬度值从＞ 40HRC 降到 37 ～ 38HRC 时，使用寿命从 1000 ～ 2000 次提高到 6000 ～ 8000 次。
根据经验，不同的锻压设备上的模锻对锻模的硬度要求不尽相同，即使在同一种锻压设备上的模锻，锻不同的产品对模具的硬度要求也不相同。
在锻件飞边切除时，凸模底要尽量与锻件的上侧表面相吻合。如钢丝钳模锻件热切飞边时，切飞边凸模底部的凹形要与钢丝钳柄部的弧形相吻合，否则在切飞边过程中，切飞边凸模易使锻件向一侧翻转，使凸模和凹模损坏。一般情况下，冲裁间隙放大可以延长切飞边模寿命。
5 、合理选择模具材料
根据模具的工作条件、生产批量以及材料本身的强韧性能来选择模具用材，应尽可能选用品质好的钢材。据有关资料介绍，模具的制造费较高，而材料费用一般仅是模具价格的 6% ～ 20% 。
对模具材料要进行质量检测，模块要符合供货协议要求，模块的化学成份要符合国际上的有关规定。只有在确信模块合格的情况下，才能锻造。大型模块 (100kg 以上 ) 采用电渣重熔钢 H13 时要确保内部质量，避免可能出现的成份偏析、杂质超标等内部缺陷。要采用超声波探伤等无损检测技术检查，确保每件锻件内部质量良好，避免可能出现的冶金缺陷，将废品及早剔除。
6 、合理制定模具钢的锻造规范
根据碳化物偏析对模具寿命的影响，必须限制碳化物的不均匀度，对精密模具和负荷大的细长凸模，必须选用韧性好强度高的模具钢，碳化物不均匀度应控制为不大于 3 级。 Cr12 钢碳化物不均匀度 3 级要比 5 级耐用度提高 1 倍以上。滚丝模的碳化物不均匀度为 5 ～ 6 级时最多滚丝 2000 件，而碳化物不均匀度提高到 1 ～ 2 级时可滚丝 550000 件。如果碳化物偏析严重，可能引起过热、过烧、开裂、崩刃、塌陷、拉断等早期失效现象。带状、网状、大颗粒和大块堆集的碳化物使制成的模具性能呈各向异性，横向的强度低，塑性也差。
根据显微硬度测量结果，碳化物正常分布处为 740 ～ 760HV ，碳化物集中处为 920 ～ 940HV ，碳化物稀少处为 610 ～ 670HV ，在碳化物稀少处易回火过度，使硬度和强度降低，碳化物富集区往往因回火不足，脆性大，而导致模具镦粗或断裂。通过锻造能有效改善工具钢的碳化物偏析，一般锻造后可降低碳化物偏析 2 级，最多为 3 级。最好采用轴向、径向反复镦拔 ( 十字镦拔法 ) ，它是将原材料镦粗后沿断面中两个相互垂直的方向反复镦拔，最后再沿轴向或横向锻成，重复一次这一过程就叫做双十字镦拔，重复多次即为多次十字镦拔。而对于直径小于或等于 50mm 的高合金钢，其碳化物不均匀性一般在 4 级以内，可满足一般模具使用要求。
7 、合理选择热处理工艺
热处理不当是导致模具早期失效的重要原因，据某厂统计，其约占模具早期失效因素的 35% 。
模具热处理包括锻造后的退火，粗加工以后高温回火或低温回火，精加工后的淬火与回火，电火花、线切割以后的去应力低温回火。只有冷热加工很好相互配合，才能保证良好的模具寿命。
模具型腔大而壁薄时需要采用正常淬火温度的上限，以使残留奥氏体量增加，使模具不致胀大。快速加热法由于加热时间短，氧化脱碳倾向减少，晶粒细小，对碳素工具钢大型模具淬火变形小。对高速钢采用低淬、高回工艺比较好，淬火温度低，回火温度偏高，可大大提高韧性，尽管硬度有所降低，但对提高因折断或疲劳破坏的模具寿命极为有效。通常 Cr12MoV 钢淬火加热温度为 1000 ℃，油冷，然后 220 ℃回火。如能在这种热处理以前先行热处理一次，即加热至 1100 ℃保温，油冷， 700 ℃高温回火，则模具寿命能大幅度提高。我们在 70 年代初期对 3Cr2W8V 钢施行高淬、高回工艺热处理钢丝钳热锻模具也取得良好效果，寿命提高 2 倍多。采用低温氮碳共渗工艺，表面硬度可达 1200HV ，也能大大提高模具寿命。
低温电解渗硫可降低金属变形时的摩擦力，提高抗咬粘性能。使用 6W6Mo5Cr4V 钢制作冷挤压凸模，经低温氮碳共渗后，使用寿命平均提高 1 倍以上，再经低温电解渗硫处理可以进一步提高寿命 50% 。模具淬火后存在很大的残留应力，它往往引起模具变形甚至开裂。为了减少残留应力，模具淬火后应趁热进行回火，回火应充分，回火不充分易产生磨前裂纹。对碳素工具钢， 200 ℃回火 1h ，残留应力能消除约 50% ，回火 2h 残留应力能消除约 75% ～ 80% ，而如果 500 ～ 600 ℃回火 1h ，则残留应力能消除达 90% 。某厂 CrWMn 钢制凸模淬火后回火 1h ，使用不久便断裂，而当回火 2.5h ，使用中未发现断裂现象。这说明回火不均匀，虽然表面硬度达到要求，但工作内部组织不均匀，残留应力消除不充分，模具易早期破裂失效。回火后一般为空冷，在回火冷却过程中，材料内部可能会出现新的拉应力，应缓冷到 100 ～ 120 ℃以后再出炉，或在高温回火后再加一次低温回火。
表面覆层硬化技术中的 PVD 、 CVD 近年来获得较大的进展，在 PVD 中常用的真空蒸镀、真空溅射镀和离子镀，其中离子镀层具有附着力强、浇镀性好，沉积速度快，无公害等优点。离子镀工艺可在模具表面镀上 TiC 、 TiN ，其使用寿命可延长几倍到几十倍。离子镀是真空蒸膜与气体放电相结合的一种沉积技术。空心阴极放电法 (HCD 法 ) 是先用真空泵抽真空，再向真空泵通入反应气体，并使真空度保持在 10-5 ～ 10-2Pa 范围内，利用低压大电流 HCD 电子枪使蒸发的金属或化合物离子化，从而在工作表面堆积成一层防护膜。为提高镀敷效率，一般在工件上施加负电压。锻模的表面处理技术国内应用不太多，这一领域大有开发的必要。整体模腔的渗碳、渗氮、渗硼、碳氮共渗以及模腔局部的喷涂、刷镀和堆焊等表面硬化支持都是很有发展前途的，突破这一领域将使我国制模技术得到很大提高。模具失效以后的焊补技术，国内 90 年代初期就有工厂进行研究和应用，如青海锻造厂，焊补后的锻模寿命可提高 1 倍。
8 、合理确定机械加工制造工艺和加工精度
采用先进设备和技术确保每副模具具有高精度和互换性以保证锻模所要求的高精度和重复精度。制造工艺首先要解决加工后的加工变形与残留应力不能太大。粗加工时最好不要使表面粗糙度 Ra ＞ 3.2 μ m ，特别应注意在模具工作部分转角处要光滑过渡，减少热处理产生的热应力。模腔表面加工时留下的刀痕、磨痕都是应力集中的部位，也是早期裂纹和疲劳裂纹源，因此在锻模加工时一定要刃磨好刀具。平面刀具两端一定要刃磨好圆角 R ，圆弧刀具刃磨时要用 R 规测量，绝不允许出现尖点。在精加工时走刀量要小，不允许出现刀痕。对于复杂模腔一定要留足打磨余量，即使加工后没有刀痕，也要再由钳工用风动砂轮 ( 或用其它方法 ) 打磨抛光，但要注意防止打磨时局部出现过热、烧伤表面和降低表面硬度。
模具电加工表面有硬化层，厚 10 μ m 左右，硬化层脆而有残留应力，直接使用往往引起早期开裂，这种硬化层在对其进行 180 ℃左右的低温回火时可消除其残留应力。
磨削时若磨削热过大会引起肉眼看不见的与磨削方向垂直的微小裂纹，在拉应力作用下，裂纹会扩展。对 CrWMn 钢冷挤凹模采用干磨，磨削深度为 0.04 ～ 0.05mm 时，使用中 100% 开裂；采用湿磨，磨削深度 0.005 ～ 0.01mm 时，使用性能良好。消除磨削应力也可将模具在 260 ～ 315 ℃的盐浴中浸 1.5min ，然后在 30 ℃油中冷却，这样硬度可下降 1HRC ，残留应力降低 40% ～ 65% 。对于精密模具的精密磨削要注意环境温度的影响，要求恒温磨削。
锻模粗加工时要为精加工保留合理的加工余量，因为所留的余量过小，可能因热处理变形造成余量不够，必须对新制锻模进行补焊，若留的余量过大，则增加了淬火后的加工难度。
当锻模燕尾支承面与分模面平行度超过要求时，会使锻模锁扣啃坏或打裂，重者会打断锤杆甚至损坏锤头，所以在锻模加工中除对模腔尺寸按图纸要求加工外，对其它各部分外形尺寸、位置度、平行度、垂直度都要按要求加工并严格检验。有些厂对小型锻模热处理后用平面磨床磨削上下平面，对大型锻模用龙门刨床以刨代刮，保证制造精度。
锻模模腔的粗糙度直接影响锻模寿命，粗糙度高会使锻件不易脱模，特别是中间带凸起部位，锻件越深，抱得越紧，最后只能卸下锻模用机加工或气割的方法破坏锻件。由于粗糙度值高会使金属流动阻力增加，严重时模锻若干件以后会将模壁磨损成沟槽，既影响锻件成形，也易使锻模早期失效。
工作表面粗糙度值低的模具不但摩擦阻力小，而且抗咬合和抗疲劳能力强，表面粗糙度一般要求 Ra=0.4 ～ 0.8 μ m 。
模具的制造装配精度对模具寿命的影响也很大，装配精度高，底面平直，平行度好，凸模与凹模垂直度高，间隙均匀，亦可获得相当高的寿命。
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