新编实用冲压模具设计手册
第1节 冲压模具寿命
更新于2008-07-11 06:33:02
第一节 冲压模具寿命

模具因为磨损或其他形式而失效,直到不可修复并报废,在这之前所加工的冲压件数称为模具的寿命(即使用寿命)。冲压模具的寿命有两重含义,即模具在两次刃磨之间所冲工件数量称为刃磨寿命,模具从开始使用到不能修复时所加工冲压件的总数称为模具的总寿命。模具因某种原因而损坏,致使不能再修复,则损坏前所冲的工件总数称为损坏寿命。 冲压模具的失效形式一般有磨损失效、塑性变形、断裂或开裂、啃伤失效、金属疲劳破坏及早期破坏等。

1. 磨损失效

由于相互接触的表面之间存在着相对运动,使得表面逐渐失去物质,这种现象称为磨损。模具在使用过程中,与成形坯料相接触,因二者间存在摩擦而造成模具的自然磨损。当磨损使模具的尺寸发生变化或改变了模具的表面状态使之不能继续服役时,这种情况称为磨损失效。磨损失效是一种正常的失效方式。刃口模具的自然磨损规律与刃具的相似,也分为初期磨损、正常磨损和急剧磨损3个阶段。使用时,应控制在正常磨损阶段以内,当出现急剧磨损时,要立即刃磨修复。 模具成形的坯料不同,使用状况不同,其磨损情况也不同,按磨损机理可分为磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损等。 磨粒磨损:外来硬质颗粒存在于坯料与模具的接触表面之间,刮擦模具表面,引起模具表面材料脱落的现象叫磨粒磨损。坯料表面的硬突出物刮擦模具引起的磨损也叫磨粒磨损。例如,在冲裁硬、脆材料(如云母、硅钢和高碳钢等)时,会因硬粒或碳化物的剥落而引起磨粒磨损,从而使刃口的磨损加快,此时要求凸、凹模硬度高,耐磨性好。 黏着磨损:坯料与模具表面产生相对运动时,由于表面凹凸不平,黏着的结点发生剪切断裂,使模具表面的材料转移到坯料上或脱落的现象叫黏着磨损。例如,当冲压高韧性金属材料(如不锈钢等)时,会出现黏着磨损,使磨损加快,此时要求凸、凹模耐磨性高,抗粘性强,同时还要保特良好的润滑。

疲劳磨损:两接触表面之间相互运动,在循环应力(机械应力与热应力)的作用下,使表层金属疲劳脱落的现象叫疲劳磨损。 腐蚀磨损:在摩擦过程中,模具的表面与周围介质发生化学或电化反应,又因为存在摩擦力机械作用,从而引起表层材料脱落,这种现象称为腐蚀磨损。 在模具与坯料(工件)的相对运动中,实际的磨损情况很复杂,磨损一般不只是以一种形式存在,往往是多种形式并存,并相互促进,产生磨损的交互作用。例如,模具与工件表面发生黏着磨损后,部分材料脱落会形成磨粒,进而伴随产生磨粒磨损,磨粒磨损出现后,使得模具表面变得更粗糙,又造成进一步的黏着磨损。模具出现疲劳磨损后,同样出现磨粒,造成磨粒磨损。磨粒磨损又使得模具表面出现沟痕、粗化,这又加重了进一步的黏着磨损和疲劳磨损。模具出现腐蚀磨损后,随之而来的将会是磨粒磨损,进而伴随黏着磨损和疲劳磨损。例如,对于弯曲和拉深,特别是冷挤压,因变形金属与模具工作表面之间存在相对流动,会使摩擦磨损和黏着磨损加剧,因此,要求模具有较高的耐磨性、抗粘性和低的表面粗糙度值,同时保持良好的润滑。

2. 塑性变形

当模具承受的负荷超过自身钢材的屈服点时,模具会产生塑性变形,如图9-1所示,从而失去其尺寸的准确性而失效。塑性变形的失效形式表现为塌陷、镦粗和弯曲等。如凸模的镦粗、局部压塌、模具的工作表面产生皱纹以及凸模的弯曲变形等,都会使模具失效,因此要求凸、凹模应具有足够的硬度。

3. 断裂失效

模具出现较大裂纹或分离为两大部分和数部分而丧失工作能力的现象称为断裂失效,如图9-2所示。按断裂性质不同,断裂失效可分为塑性断裂和脆性断裂(模具材料多为中、高强度钢,断裂的性质一般为脆性断裂)。如按断裂机理不同,断裂失效可分为早期断裂和疲劳断裂。早期断裂是指在承受很大变形力或在冲击载荷的作用下,裂纹突然产生并迅速扩展所造成的断裂。疲劳断裂是指在较低的应力下,经过多次使用,裂纹缓慢扩展后发生的断裂。

4. 啃伤失效

由于模具的装配质量差,压力机的导向精度低,模具的安装调整不当以及存在送料误差等原因,使凸、凹模相碰造成刃口崩裂的现象叫啃伤失效,如图9-3所示。一旦发生啃伤,模具的修磨量便会急剧增大甚至不能修复。

 

5. 金属疲劳破坏

模具的凸、凹模在反复交变应力的作用下,加工一定数量的工件后就会产生疲劳裂纹。随着冲压次数的增加,裂纹不断扩展,使模具破坏而失效。这种疲劳破坏的失效方式在冷挤压模中表现突出,如冷挤压凸、凹模经使用一个时期后产生的纵裂、横裂、网裂、碎裂和剥落等。因此要求凸、凹模抗疲劳强度高,即要求“内柔外硬”。

6. 早期破坏

模具因某种原因出现崩刃、折断和碎裂等现象称为早期破坏,这会导致模具不能继续工作而失效。早期破坏失效的方式在国内外都普遍存在,这在模具行业中是比较突出的问题。必须寻找产生的原因,并努力消除。 模具的失效按照发生时间的早晚,大致可分为两类,即正常失效和早期失效。 模具经过大量的生产使用,因摩擦而自然磨损或缓慢地产生塑性变形和疲劳裂纹,当达到正常使用寿命之后,失效属于正常现象,为正常失效。模具未达到设计使用规定的期限,就产生崩刃、碎裂和折断等早期破坏,或因严重的局部磨损和塑性变形而无法继续服役,为早期失效。对于早期失效的模具,必须查找其产生的原因,努力采取补救的措施。 由于模具的工作条件极为复杂、恶劣,一副模具在使用过程中可能会出现多种损伤形式的交互作用,这些损伤又相互促进,最后以一种形式失效。如磨损出现的沟痕可能成为裂纹的发源地,当由磨损形成的裂纹在应力作用下纵深发展时,就会造成断裂。或模具局部磨损后,会带来承受能力的下降以及易受偏载,造成另一部分承受过大的应力而产生塑性变形。模具产生局部塑性变形后,会改变模具零件间正常的配合关系,如使模具间隙不均匀,间隙变小等,又必然造成不均匀磨损,使磨损速度加快,进而促进磨损失效。或者塑性变形后,模具间隙不均匀使受力面变小,从而带来附加的偏心载荷以及局部过大应力,造成应力集中,并由此产生裂纹,促进断裂失效。

一、 冲模的工作条件及失效形式

每一副冲模都是由许多零件组成的,其中对模具的质量和寿命起决定作用的是工作零件。模具在使用过程中以何种形式失效,取决于多种因素,而首要的外界因素是模具的工作条件。

各种冲模的工作都是在常温下对被加工材料施加压力,使其产生分离或变形,从而获得一定形状、尺寸和性能要求的冲件。但不同种类的冲模,其具体的工作条件有所不同,它们的主要失效形式也各不相同。下面就以冲模中较典型的冲裁模、拉深模和冷挤压模为例来分析其工作条件及失效形式。
1. 冲裁模的工作条件及主要失效形式

(1) 冲裁模的工作条

冲裁模具主要用于各种板料的冲切。从冲裁的工艺分析中我们已经得知,板料的冲裁过程可以分为3个阶段,即弹性变形阶段、塑性变形阶段和剪裂阶段。在板料的弹性变形阶段,凸模端面的中央部位与板料脱离接触,压力主要集中于刃口附近的狭小区域,使刃口上的单位面积压力增大。在板料的塑性变形和剪裂阶段,凸模切入板料,板料挤入凹模内,使模具刃口的端面和侧面产生挤压和摩擦。 模具刃口受力的大小与板料的厚度和硬度有关。凸模的压力通常大于凹模,尤其在厚板上冲裁小孔时,凸模所受的单位压力很大。设凸模工作部分的直径为d,板料厚度为t,则比值d/t越小,凸模受力越大,模具寿命就越低。

(2) 冲裁模的主要失效形式

模具刃口所受作用力的大小和板料的力学性能、厚度等因素有关。考虑到板料厚度对模具冲裁负荷的影响,通常可以将冲裁按板料的厚度分为薄板冲裁(t≤1.5mm)和厚板冲裁(t>1.5mm)。 对于薄板冲裁模,由于模具受到的冲击载荷不大,在正常的使用过程中,模具因摩擦产生的刃口磨损是主要的失效形式。从磨损的机理上看,主要为黏着磨损,同时也伴随着磨粒磨损,使用时间过长时会产生疲劳磨损。由于凸、凹模的刃口处于端面压应力和侧面压应力的交汇处,同时也处在端面摩擦力和侧面摩擦力的交汇处,因此凸、凹模刃口的工作状况较为恶劣,磨损较严重。其中,凸模的受力最大,在一次冲裁过程中经受两次摩擦(冲入和退出各一次),因而凸模的磨损最快。磨损将使刃口变钝,棱角变圆,甚至产生表面脱落,从而使冲裁件毛刺增大,尺寸超差。凸、凹模磨损后,必须对其刃口进行修磨才能继续使用。 冲裁模的磨损过程可分为初期磨损、正常磨损和急剧磨损3个阶段。对应于这3个阶段,刃口的损伤过程如图9-4所示。


 


① 初期磨损阶段
模具刃口与板料相碰时接触面积很小,刃口所承受的单位压力很大,造成了刃口端面的塑性变形,一般称为塌陷磨损。其磨损速度较快,如图9-4(a)所示。

② 正常磨损阶段
当初期磨损达到一定程度后,刃口部位承受的单位压力逐渐减小,同时刃口的表面因应力集中而产生应变硬化,如图9-4(b)所示。这时,刃口和被加工坯料之间的摩擦磨损成为主要的磨损形式,磨损进展较缓慢,并进入长期稳定的正常磨损阶段,该阶段时间越长,说明其耐磨性能越好。

③ 急剧磨损阶段
刃口经长期工作以后,经受了频繁冲压会产生疲劳磨损,表面出现了损坏剥落,如图9-4(c)所示。此时进入了急剧磨损阶段,磨损加剧,刃口呈现疲劳破坏,模具已无法正常工作。模具使用时,必须控制在正常磨损阶段以内,当出现急剧磨损时,要立即刃磨修复。 随着刃口的磨损,工件的毛刺高度会不断增加,因此在实际生产中,可以通过观测毛刺高度的大小来推断模具刃口的磨损量,在冲裁件达到质量允许的毛刺极限值时即进行刃磨修复。 从磨损机理上分析,凸、凹模的磨损主要是黏着磨损和磨粒磨损。黏着磨损是模具刃口在与板料的相对摩擦运动过程中,由于高压产生了局部的相互粘着和咬合现象,当接触面相对滑动时,黏着部分便发生剪切引起磨损。磨粒磨损是指模具工作时表面剥落的碎屑嵌入工作部件的表面,成为磨料,使其逐渐磨损的过程。冲裁硬度较高的金属材料(如高碳钢和硅钢)时,因材料的硬粒或碳化物剥离而产生磨粒磨损。当冲压高韧性材料(如奥氏体不锈钢)时,易产生黏着磨损。 一般情况下,凸模的磨损要快于凹模,这是因为凸模刃口处的受力面积小于凹模,在同一冲裁力的作用下,凸模刃口处单位面积承受的压应力要比凹模刃口处更大一些。同时,在每一次冲裁过程中,凸模都要切入并退出板料,前后要经历两次摩擦,而凹模和板料的分离部分仅发生一次摩擦。另外,凹模的淬火硬度通常高于凸模。这一切使得凸模的磨损要比凹模更快。 此外,凸模退出板料时,需要有一定的卸料力将板料从凸模上卸下,卸料力与作用在凸模上的其他压应力不同,是唯一的拉应力,从而使凸模在反复拉、压应力的作用下产生疲劳磨损,这也是导致凸模崩刃的原因之一。 对于厚板冲裁模,由于凸、凹模受到的作用力增大,在过大应力的作用下,不仅会产生磨损,而且可能造成刃口变形和疲劳崩刃等现象。当冲裁凸模较细长时,还会引起弯曲变形或折断,如图9-5所示。


2. 拉深模的工作条件及主要失效形式

(1) 拉深模的工作条件

拉深模是通过使坯料产生塑性变形(不分离)而获得各种开口空心件的冲模,是塑性变形工序所用冲模的典型代表。拉深过程中模具的受力状态如图9-6所示。拉深时凸模下压板料毛坯,拉深力通过凸模的底部和凸模的圆角部位传递给毛坯,板料毛坯的外缘部分通过凹模端面与压边圈之间被拉入凸模与凹模之间的间隙中。在拉深力pF、压边力QF以及毛坯与模具工作部件相对运动产生的动摩擦力的作用下,凸模圆角半径处受到压力p1F和摩擦力1F,凹模圆角半径处受到压力p2F及摩擦力2F,凹模端面部位受到压力p3F和摩擦力3F,压边圈与板料相接触的部位则受到压力p4F和摩擦力4F的作用。


在拉深的开始阶段,凸模圆角半径处的板料被弯曲拉伸并作相对运动,摩擦力F1使凸模的圆角半径受到磨损。随着拉深的继续进行,已变形的板料将紧贴凸模圆角半径部位并开始产生应变硬化,这时相对运动大大减弱,摩擦力变小。但是在整个拉深过程中,凹模圆角半径处、凹模端面以及压边圈的相应部位始终与板料作相对运动,并产生剧烈摩擦,压应力和摩擦力都很大,因此凹模与压边圈的磨损现象始终存在。

(2) 拉深模的主要失效形式

由于拉深模具的工作部件没有刃口,受力面积大,同时凸、凹模的间隙一般比板材厚度大,模具工作时无严重的冲击力,工作时不易出现偏载,因此,拉深模不易出现塑性变形和断裂失效。但是工作时板料与凹模和压边圈产生相对运动,存在着很大的摩擦,致使拉深模具的主要失效形式为黏着磨损和磨粒磨损,并以黏着磨损为主,这也是拉深过程中常出现的问题和模具失效的重要原因。黏着磨损的部位发生在凸模、凹模的圆角半径处,以及凹模和压边圈的端面,其中以凹模和压边圈的端面黏着磨损最为严重。模具与工件表面产生黏着磨损后,脱落的材料碎屑会成为磨粒,从而伴生出磨粒磨损。磨粒磨损将使模具的表面更为粗糙,进而又加重黏着磨损。
从显微方面来观察,模具和坯料的表面都是凹凸不平的,但是由于模具表面的硬度高于坯料,相互挤压摩擦时会将坯料表面刮下的碎粒压入模具表面的凹坑。在拉深过程中,坯料的塑性变形以及坯料和模具工作部件表面的摩擦会产生出热能。特别是在某些塑性变形严重和摩擦剧烈的局部区域,所产生的热能造成了高温,破坏了模具和坯料表面的氧化膜和润滑膜,这会使金属表面裸露,促使材料分子之间相互吸引,并使模具表面凹坑里的坯料碎屑熔化,从而和模具表面焊合,形成坚硬的小瘤,即黏着瘤。这些坚硬的小瘤,会使拉深件的表面粗糙度变大,严重时将在产品的表面刻划出刻痕,擦伤工件,并且加速模具的不均匀磨损,这种失效形式称为黏模。此时,需对模具进行修磨,除去粘附的金属。拉深模的重要问题就在于如何防止黏着的金属小瘤。 在拉深工作中,出现拉深黏模的问题与被拉深坯料的化学成分、所使用的润滑剂及模具工作部件的表面状况等因素有关。镍基合金、奥氏体不锈钢、坡莫合金和精密合金等材料在拉深时极易发生黏模。为保证产品的质量,拉深模的工作部件表面不允许出现磨损痕迹,因此必须具有较低的表面粗糙度和较高的耐磨性。

3. 冷挤压模的工作条件及主要失效形式

(1) 冷挤压模的工作条件

冷挤压模具工作时,将大截面的坯料挤压为小截面的工件,坯料受到强烈的三向压应力作用,从而发生剧烈的塑性流动,由于被挤压材料的变形抗力较高,如钢的冷挤压,其变形抗力高达1960MPa以上,使模具承受强大的挤压反作用力和摩擦力。产生的摩擦功和变形功将会转化成热能,使模具表面升温达300℃左右(局部可达300℃以上)。此外,每一次挤压过程都是在很短的瞬间完成的,从而使模具在工作时温度升高,不工作时温度又下降,也就是说模具还承受着冷热交变温度和多次冲击负载的作用。如此严酷的工作条件,使得冷挤压模具的使用寿命比其他模具要低。

(2) 冷挤压模的主要失效形式

冷挤压模具的凸、凹模由于受力状况有所不同,所以失效形式有所差异,一般凸模易于折断,凹模易于胀裂。冷挤压凸模的失效形式主要有折断、磨损、镦粗、疲劳断裂和纵向开裂等。冷挤压凹模的失效形式主要有胀裂和磨损等。 冷挤压模具的磨损主要是磨粒磨损和黏着磨损,磨损主要发生在凸模的工作端部和凹模的内壁。模具表面温度的升高可能会使模具材料的表层软化,从而加速磨损失效的过程。 冷挤压时,凸模可能在弯曲应力或应力集中的作用下折断,或因脱模时的拉应力而拉断。凸模的肩部由于承受很高的压应力和摩擦力,易产生麻点和磨损,从而成为导致凸模折断的疲劳源。若凸模选材或热处理不当,在压应力和弯曲应力的作用下,将产生纵向弯曲或镦粗。镦粗一般发生在距工作端部约1/3~1/2的凸模工作长度处。一旦发现凸模镦粗,应立即修磨。如果凸模因抗压强度不够发生镦粗,在工作部位的表面会产生拉应力,从而引起表面纵裂,若继续挤压,裂纹将扩展并连接起来,造成掉块(凹模表面成片剥落)。 若凹模的抗拉强度不够,挤压时在切向拉应力的作用下,会产生胀裂(纵向开裂),而凹模型腔变化的部位会发生横向开裂。如果采用预应力组合凹模,长期工作中,内层凹模型腔的内壁会因拉、压交变循环的切向应力作用而产生疲劳开裂。

任何模具的失效形式并非一成不变。模具在服役过程中,在不同的部位会承受不同形式的作用力,这可能导致出现多种损伤形式并存的现象。

由于模具材料的性能、模具的结构、制造工艺、压力加工设备的特性和加工操作方法等的不同,各种损伤形式的发展速度有很大的差异,多种损伤形式的相互促进会加速模具的失效。因此,同样的模具可能会产生完全不同的失效形式和服役寿命。 对模具进行失效分析时,不仅要查明其失效形式、失效原因及影响因素,还应当了解其他可能导致损伤的原因及影响因素,掌握全面的情况。在克服某一种失效形式时,还要防止其他损伤的发展,以确保和延长模具的服役期限。

二、 影响冲模寿命的因素及提高冲模寿命的措施

1. 影响冲压模具寿命的因素

冲模的失效形式主要为磨损失效、变形失效、断裂失效和啃伤失效等。然而,由于冲压工序和工作条件不同,造成模具失效的原因有很多,涉及的技术面也很广,但其中的主要原因可归纳为设计不合理、材质不佳、热处理不当、加工不良以及使用不妥等几方面。据有关部门调查分析,模具失效的比例大致为:设计不合理占3.3%,材质不佳占17.8%,热处理不当占52%,制造不良占7.8%,加工工艺不合理占8.9%,使用不当占10.2%。因此,在模具使用中出现失效问题后,应逐项分折,找出原因,并提出解决问题的办法。

(1) 模具结构的影响

i 模具几何形状的影响
模具的几何形状对成形过程中坯料的流动和成形力产生很大的影响,从而影响模具的寿命。如图9-7所示为3种形状的反挤压凸模,其中(a)、(b)两种结构的凸模比(c)结构的凸模挤压力降低了20%,但(a)、(b)两种结构的凸模端面倾斜角不能过大,否则虽然降低了挤压力,但凸模容易因挤偏受到弯曲应力而折断。



ii 模具间隙的影响

模具的凸凹模工作间隙不仅会影响工件的质量,还会影响模具的寿命。例如,拉深模的间隙过小将增加摩擦阻力,易擦伤工件表面,并增大了模具的磨损。冲裁模的间隙过小则会加剧凸凹模的磨损,降低模具的使用寿命。

iii 结构形式的影响

模具的结构形式不合理将导致应力集中而断裂失效。如图9-8(a)所示为正挤压空心工件的整体式凸模,挤压时极易在心轴的根部产生应力集中而发生折断。若改为如图9-8(b)所示的组合式,便可消除应力集中,从而防止模具的早期断裂失效。

(2) 模具材料的影响

iv 模具材料性能的影响

模具材料对模具寿命的影响是模具材料种类、化学成分、组织结构、硬度和冶金质量等的综合反映。模具材料的种类对模具寿命的影响是很大的。例如,拉深镍基合金板料时极易发生咬合,若采用Cr12MoV钢制作拉深模具,拉深时就会很快出现咬合和拉毛等现象,模具的使用寿命极低,若采用GT35型钢结硬质合金制作拉深凹模,热处理硬度为65~67HRC,则可大大减弱咬合的倾向,模具的寿命大为提高。各种模具材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、塑性变形抗力、断裂抗力以及冷热疲劳抗力等性能均有所不同,因此材料的性能必须满足模具的具体使用要求,否则将导致模具的早期失效。为此,对于冲模工作零件的材料提出了两项基本要求,具体如下。

① 材料的使用性能应具有高硬度(58~64HRC)和高强度,并具有高的耐磨性和足够的韧性,热处理变形小,有一定的热硬性。

随着硬度的提高,模具钢的抗压强度、耐磨性和抗咬合能力等指标升高,而其韧性、冷热疲劳抗力及可磨削性等指标下降。经验表明,模具的早期失效多数是由于硬度过高而断裂,少数是由于硬度过低而变形或磨损。例如,采用T10钢制造硅钢片的小孔冲模,硬度为56~58HRC时,只冲几千次,冲件的毛刺就很大,如果将硬度提高到60~62HRC,则刃磨寿命可达2~3万次,但如果继续提高硬度,则会出现早期断裂。而有的冲模硬度却不宜过高,例如,采用Cr12MoV制造六角冷镦冲头,其硬度为57~59HRC时,寿命一般为2~3万件,失效形式为崩裂,如果将硬度降低到52~54HRC,其寿命将提高到6~8万件。

② 工艺性能良好。

冲模工作零件在加工制造过程一般比较复杂,因而必须具备对各种加工工艺的适应性,如可锻性、可切削加工性、淬硬性、淬透性、淬火裂纹敏感性和磨削加工性等。

v 模具钢材冶金质量的影响

模具材料的冶金质量问题主要出现在大、中型截面模具以及碳合金元素含量高的模具钢中,其具体形式有非金属夹杂、碳化物偏析和中心疏松等。若钢中含有强度低、塑性差的非金属夹杂物,则容易形成裂纹源,从而引起模具早期断裂失效。当钢中的碳化物过多,形成网状、大块状或带状时,将严重降低钢的冲击韧度及断裂抗力,会引起模具的早期断裂、崩块及开裂等。若钢材中存在中心疏松和白点,将会降低模具的抗压强度,使模具淬火开裂及工作表面凹陷。 通常根据冲压件的材料特性、生产批量和精度要求等,选择性能优良的模具材料,同时还要兼顾其工艺性和经济性。

(3) 热处理工艺的影响

模具的热处理包括预先热处理、粗加工后的消除应力、退火、淬火与回火以及磨削后或电加工后的消除应力退火等。模具的热处理质量对模具的性能与使用寿命影响很大。实践证明,模具工作零件的淬火变形与开裂,使用过程中的早期断裂,虽然与材料的冶金质量、模具结构和加工等有关,但与模具的热处理工艺关系更大。根据对模具失效原因的分析统计,热处理不当引起的失效占50%以上。高级模具材料必须配以正确的热处理工艺才能真正发挥材料的潜力。 模具淬火加热时温度过高,容易造成模具的过热、过烧,冲击韧度下降,从而导致早期断裂。如果淬火温度过低,会降低模具的硬度、耐磨性及疲劳抗力,容易造成模具的塑性变形和磨损失效。淬火加热时不注意采取保护措施,会使模具的表面氧化和脱碳,脱碳将造成淬火软点或软区,降低模具的耐磨性、疲劳强度和抗咬合能力,影响其使用寿命。淬火冷却速度过快或油温过低,模具容易产生淬火裂纹。如果回火温度太低,而且不够充分,将无法消除淬火过程中的残余应力,从而使模具的韧性降低,容易发生早期断裂。

(4) 模具制造工艺的影响

i 锻造工艺的影响

如果锻造工艺不合理,会降低钢材的性能,造成锻造缺陷,从而产生导致模具早期失效的隐患。常见的锻件表面缺陷有裂纹、折叠和凹坑等,内部缺陷有组织偏析、流线分布不合理、疏松、过热和过烧等。 锻造时,若镦击力过大,则变形量过大,易产生裂纹。若加热不均,温度过高会产生材料晶粒粗大的过热现象,或导致晶界熔化和氧化的过烧现象。停锻后,若冷却速度过快则容易开裂,特别是高碳高合金钢,其锻造温度范围较窄,操作不当极易开裂。锻造不充分会产生组织应力,热处理时也易发生变形开裂。模具材料中的非金属夹杂物锻压后,若其流线分布走向与凸模的轴线垂直,则可能引起横向折断,如果分布走向与轴线平行,则可能发生纵向劈裂。 锻造后的模具零件毛坯一般需进行预处理(如退火、正火和调质等),以消除毛坯中的残余内应力和锻造组织的某些缺陷,改善其加工工艺性,并为以后的淬火作好准备。模具钢经过适当的预处理可使碳化物球化和细化,并提高碳化物分布的均匀性,这样的组织经淬火和回火后质量高,可大大提高模具的寿命。

ii 加工工艺的影响

模具制造一般要经过切削加工、磨削加工和电火花加工等。这些加工的质量问题,尤其是加工表面的质量,将会显著影响模具的耐磨性、断裂抗力、疲劳强度及热疲劳抗力等。

① 切削加工的影响

切削加工时如果没有彻底去除材料表面的脱碳层,将会降低模具的表面硬度,加剧了模具磨裂及淬裂的倾向。若切削的表面粗糙,连接处不光滑,或留有尖角和加工刀痕,将产生疲劳裂纹,造成模具疲劳失效。

② 磨削加工的影响

磨削加工时如果进给量过大、冷却不足,则容易产生磨削裂纹和磨削烧伤,这将大大降低模具的疲劳强度和断裂抗力。

③ 电火花加工的影响

电火花加工中会产生电火花烧伤层,烧伤层会使模具表面产生拉应力和显微裂纹等,从而导致表面剥落和早期开裂。若材料淬火后的内应力很高,电火花加工时应力会重新分布,引起模具变形或开裂。

(5) 模具工作条件和使用维护的影响

i 被加工材料的影响

被加工材料的材质和厚度的不同对模具寿命有很大的影响。被加工材料的强度越高、厚度越大,模具承受的力也越大,模具的寿命相对较低。若被加工材质与模具材料的亲和力大,在冲压成形过程中会和模具发生黏着磨损,降低模具的寿命。例如,用Cr12MoV钢制作拉深模,拉深镍基合金钢板时,极易产生粘附咬合及拉毛现象,若改用GT35钢结硬质合金制作拉深凹模,粘附咬合的倾向便会大大降低,提高了模具的寿命。 被加工材料的表面状态对模具的磨损也有很大的影响。采用表面没有氧化黑皮和脱碳层,仅有极薄的氧化膜或磷化膜的坯料,对模具的冲压最为有利。例如,用T10A钢制造的工作部件的冲裁模,冲裁表面光亮的薄钢板时,每刃磨1次可冲3万件,冲裁同等厚度的热轧钢板时,由于表面有氧化黑皮,每次刃磨只能冲裁1.7万件左右。

ii 冲压设备特性的影响

冲压设备的刚度和精度对模具的寿命影响极大。开式压力机为C型框架,刚度较差,在冲压力的作用下易产生变形,造成上、下模的中心线不重合,模具的工作间隙不均,甚至啃刃和崩刃。此外,冲裁过程结束的瞬间,载荷锐减,压力机在冲压过程中积聚的变形能量突然释放,从而造成上、下模间的冲击振动,即所谓的“失重插入”现象,这也加剧了模具的磨损。因此,精密冲裁或使用硬质合金冲裁模具时,最好采用刚度较好、精度较高的闭式压力机。

iii 润滑条件的影响

良好的润滑条件可以有效地降低摩擦力、摩擦热和冲压力,减少模具的磨损,并显著提高模具的使用寿命。如冲裁硅钢片时,采用润滑的模具寿命大约是无润滑模具的10倍。另外,使用的润滑剂和润滑方式是否适当,对模具的使用寿命影响也很大。如不锈钢表壳挤压模,工作时采用机油润滑,模具寿命只有80件,若改用二硫化钼配制润滑剂,使用寿命可达1万件。

2. 提高冲模寿命的措施

(1) 优选模具材料

对于拉深模,磨损是拉深模具失效的主要原因,一般黏着易发生在性质相近的材料之间,所以应根据被拉深材质的不同,选择相应的模具材料。如果被拉深材料为有色金属,模具材料可以选用铸铁、钢材和硬质合金等。若被拉深材料为黑色金属,则模具材料可选用有色金属、硬质合金以及与其亲和力小的钢铁材料等。
对于冷挤压模,如果模具承受的单位挤压力很大,则应使用高淬透性的材料,如基体钢和高速钢等,否则未淬硬的材料心部会引起模具的塑性变形。如果凸模受偏心力较大,则应选用高强韧性的材料。挤压工件的形状复杂、生产批量大或者被挤压坯料的强度高时,选择硬质合金或钢结硬质合金可以提高模具的寿命。 冷镦模在选材上应注意钢的原始组织和化学成分,钢材不应有原始组织缺陷,如偏析、夹杂和少量缩孔等。在高负荷条件下工作的冷镦模,其模具用钢要有较高的纯度,硫、磷的含量要严格控制。一般来说,钢材含碳量在0.8%~0.9%韧性较好,含碳量在0.95%~1.05%为硬韧,含碳量在1.05%~1.15%为硬性,通常大型模具含碳量取下限,小型模具取上限。 当冲裁模的生产批量很大时,应选择强度高、韧性好以及耐磨性好的高性能模具材料。由于凸模的工作条件比凹模差,凸模材料的耐磨性可以选得比凹模材料高一些。

(2) 合理设计模具

i 合理选择模具间隙

在保证冲裁工件质量的前提下,冲裁模具应尽可能选用较大的冲裁间隙,以降低冲裁力,减小模具的磨损。为了提高凸模的刚度,加强其抗偏载的能力,以防止工作时凸模发生弯曲变形或折断,一般凸模的头部截面积和尾柄部截面积分别取为工作端面面积的2倍和4倍,必要时可对凸模进行导向保护。另外,还可以采用弹性卸料板对板料施加一定的压边力,以减少因板料滑移或翘曲对凸模产生的作用力。为确保冲压过程中冲裁间隙均匀,避免啃刃和刃口的不均匀磨损,可选用精确的模具导向装置,例如使用滚珠导柱导套等。 拉深模的凸、凹模间隙设计要合理。间隙过小,摩擦阻力增大将使模具的磨损加剧。间隙过大,则容易使制件起皱而加大模具的磨损。间隙不均,在模具的工作中会产生不均匀的内应力,使模具的使用寿命下降。模具工作表面的硬度要高,以减少磨损。模具的表面粗糙度值要低,同时被拉深板料的表面粗糙度值也要低一些,以减少拉深时的摩擦阻力,从而有利于拉深件的塑性成形并提高模具的寿命。

ii 保证结构刚度

模具的结构必须具有足够的刚度和可靠的导向,这样才能保证凸、凹模间的动态间隙和工作精度,避免凸、凹模相互卡死和啃伤,从而保证其正常工作并延长使用寿命

① 合理设计凸模的截面形状和尺寸,尽量减少其长径比,使之具有足够的强度、刚度和抗压稳定性。采用最佳的凸模形状,在条件许可的情况下可采用工艺轴,变单纯正挤压或反挤压为复合挤压,以降低单位挤压力。挤压凸模不易过长,以防止纵向弯曲。

② 适当加大凸模柄部的承载面积和固定长度,例如,可以使固定长度由占总长度的1/5~1/4增加到1/3~1/2,以提高其刚度。

③ 加大凸模垫板的厚度或采用多层淬硬垫板,这样可以避免由于垫板面积小、厚度薄或硬度不足而出现变形和凹坑等损伤,致使凸模产生附加弯曲应力。

④ 对细长凸模可设置导向板等辅助支承。导向板的位置应尽量减少凸模悬臂部分的长度,且使凸模始终不脱离导向板,同时还应保证导向精度

iii 减轻工作载

通过合理制定冲压加工工艺以及合理设计模具结构来减轻模具的工作载荷。

iv 采用组合式凸、凹模

采用预应力组合式凹模结构可以防止内层凹模的纵向开裂。采用阶梯式组合凹模比同尺寸的平口组合凹模具有更大的承受径向内压力的能力。

v 模具工作部件的过渡部分应设计足够大的圆角半径,避免因尖角过渡而产生应力集中的现象。在冷镦模的凹模入口处,应尽量设臵足够大的渐变圆角,避免应力集中,并在出模方向上作出拔模斜度,以利于坯料在型腔内的流动及降低模具的负荷。

vi 凹模易横向开裂的部位应采用分割式结构,以消除应力集中。

vii 硬质合金或钢结硬质合金冷镦模具的硬度高,耐磨性好,生产出来的产品精度高。因而,可以采用硬质合金或钢结硬质合金镶块的组合式结构,用加套的方法施加预应力,减少或抵消模具受到的冷镦力,以提高模具的使用寿命。但硬质合金的脆性很大,当模具形状复杂并在较高的冲击负荷下工作时,不宜采用硬质合金。

(3) 拟定合理的冲压工艺

合理安排冲压工序,以简化模具的设计与制造,并有利于冲件成形。选用冲压成形性能好、厚度均匀以及表面质量较高的冲压材料。安排必要的润滑和热处理等辅助工序。

(4) 提高模具制造加工质量

要重视模具钢坯的锻造工艺,消除带状和网状碳化物分布,使流线和冲击力的方向垂直。锻造时为了充分打碎坯料中的碳化物,使其呈弥散状均匀分布,应采用高锻比变向镦拔的方法。 在制造加工的过程中,必须严格保证模具的尺寸形状精度,避免留下机加加工刀痕。过渡部分要平滑,不能有微小的缺陷,防止使用过程中出现应力集中裂纹。电加工及磨削加工后应进行回火,以消除加工应力。 拉深模具的最后抛光工序的操作方向应和坯料金属流动的方向一致,凹模型腔应纵向往复而不是圆周运动抛光。抛光时还应注意冷却,防止过热使模具硬度下降。 冷挤压凸模加工后形状要对称,工作部分必须同轴心,否则凸模单边受力容易发生折断。正挤压或反挤压凹模的表面粗糙度值越低越好,可以采用磨削后再研磨抛光的方法,以减少磨损,提高模具的寿命。 应根据冷镦模的工作条件和材料的性质适当选择淬火硬度和硬化层深度,以防止早期失效。热处理中要注意充分回火,若回火时间不足,应力不能全部消除,即使硬度满足要求,仍会产生崩块现象,回火时间一般在1.5小时以上。

(5) 采用模具强韧化处理和表面强化处理

采用强韧化处理和表面强化处理技术,可以使模具获得优良的整体强韧性能、优异的表面硬度、耐磨性和抗粘附性能等,是提高各类模具使用寿命的有效途径。

(6) 合理使用维护模具

正确的操作、使用和维护与模具的寿命也有很大的关系。它包括模具的正确安装与调整,注意保持模具的清洁和合理的润滑,防止误送料、冲叠片,严格控制凸模进入凹模的深度和控制校正弯曲、整形等工序上模的下止点位置,及时修复、研光以及设置安装块和行程限制器,以便安装、使用和储存。 总之,在模具的设计、制造、使用和维护的全过程中,应用先进制造技术和实行全面质量管理是提高模具寿命的有效途径,它们不但致力于发展专业化生产,加强模具的标准化工作,除零件标准化外,还有设计参数标准化、组合形式标准化以及加工方法标准化等,而且还不断提高模具的设计和制造水平,从而有利于提高模具的寿命。

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