模具寿命

模具寿命（精选9篇）

模具寿命 篇1

1 引言

冷挤压是一种先进的压力加工方法，无论在技术上和经济上都有显著特点，该工艺可以大量节约原材料，生产效率高，容易实现自动化，可加工形状复杂的零件。冷挤压件具有强度高、刚性好、重量轻、表面光洁和尺寸精度高等优点。因而，是航空、交通运输、通讯、家电、自行车等行业广泛采用的一种先进工艺技术。

冷挤压模具是保证挤压件形状尺寸和精度的重要工装，是保证挤压件表面质量的重要因素之一。模具寿命长短直接影响产品质量和生产效率的提高。因此，提高挤压模具寿命对降低生产成本，提高经济效益有着十分重要意义。

2 冷挤压模具失效原因

冷挤压模具失效概括地说包含两方面：模具本身的损坏和生产出挤压件尺寸的超差。模具本身损坏又分为正常和非正常两种损坏形式，非正常损坏既无规律可寻，又可通过人为方法加以克服。本文主要讨论正常工作条件下的损坏，即冷挤压模具的失效。模具失效的主要形式有磨损、塑性变形、疲劳破坏和断裂。

冷挤压模具失效原因：挤压工艺循环过程中，变形金属和模具工作表面之间的相对运动产生剧烈摩擦导致模具表面磨损;模具内部反复引起的高压应力，使模具工作时受到非对称的交变应力作用而发生塑性变形;挤压时金属的剧烈流动产生的热效应和摩擦热使模具工作表面温度升高(可高达400℃以上)，当取出工件加润滑剂时这一工作间隙时间，这极易使模具表面散热降温。所以模具在完成一个工艺循环时，需经受一次热循环引起的交变应力作用，导致疲劳裂纹破坏。

特殊的是挤压凸模比较细长，工作循环过程中，由于受侧向力和附加弯曲应力的作用，根部产生很大的交变弯曲应力，也易发生疲劳破坏。因此，弯曲应力对凸模的疲劳破坏不可忽视。

3 影响冷挤压模具寿命因素分析

3.1 模具材料对寿命的影响

挤压工艺循环中，模具工作环境较差，要保证挤压模具能够长时间可靠工作，所选择的模具材料必须具备高硬度、高强度、高耐磨性和良好的韧性、足够的热稳定性、热硬性、耐热疲劳性。

如果模具材料选用不合理，即使价格昂贵的模具钢其效果也难以奏效。例如，挤压铅、铝等软材料零件，选用高速钢(如W18Cr4V)来制作模具，其寿命并不理想。若选用优质碳素工具钢，可以达到理想效果。反之，挤压硬材料的钢件时，选择Cr12MoV这类高铬工具钢或W18Cr4V这类高速工具钢，热处理后，不仅强度高、硬度高、而且韧性、热硬性和耐磨性也好，完全可满足钢件挤压模具的要求。因此，根据挤压件材料种类和复杂程度、挤压方式、模具结构形式、模具实际工作条件、生产批量大小及设备类型综合考虑选择模具材料，是保证挤压模具具有高寿命的前提。

3.2 凸模的弯曲应力对模具寿命影响

凸模的弯曲应力是由于凸模头部受到侧向力作用的结果，其来源主要有如下几方面：模具制造、安装误差或压力机静态精度不好，模具安装后，凸模中心线相对于凹模中心线发生偏斜，工作时，凸模就会受到侧向力作用;毛坯两端面不平行或与外圆不垂直，毛坯在凹模内因间隙大而放偏，挤压时凸模会受到侧向力的影响;模架中心与压力机中心不重合，或模具结构不对称，使压力机台面和模板弹性压缩变形不对称，压力机本身刚性和精度差等都是产生侧向力的来源;凸凹模紧固不牢靠，在上述侧向力作用下，模具发生“移动”使凸模中心错开。

凸模在这些侧向力作用下，会发生弹性弯曲，在凸模弯矩最大处，弯曲应力最高，有：

式中：Mmax———凸模最大弯矩，产生在凸模根部;

W———凸模抗弯截面模量。

式中：αC———应力集中系数;

Q———侧向力;

l———凸模杆部长度。

如果σ弯远大于凸模的疲劳强度时，在较少的挤压次数后就会引起一条或数条疲劳裂纹，此时，称为高应力疲劳破坏;若σ弯很小，多次挤压后也会引起疲劳裂纹，此时称为低应力疲劳破坏。因此，σ弯的大小直接影响挤压次数N，即凸模寿命。

设凸模的裂纹长度a，根据断裂力学Paris—Erdongan公式，有

式中：da/d N———亚临界扩张速率(即a<裂纹临界长度ac时);

△K———应力强度因子振幅值;

C、m———材料常数，查表或试验确定。

式中：Y———裂纹荷因子;

σa———交变应力幅值。

将式(4)代入式(3)，可得：

因Y与a无关，积分后得：

式中：ai———裂纹初始尺寸。

由式(7)可知：

由上式可以看出，N与σ弯的某次方成反比。可见，σ弯的大小对凸模疲劳寿命的影响是很大的。

3.3 热处理工艺对模具寿命的影响

模具的使用寿命在很大程度上取决于热处理的质量。热处理的目的不仅是为了提高模具的硬度，也是为了改善钢的组织和性能，以获得理想的热强度和韧性。为确保热处理质量，近年来普遍采用可控气氛和真空热处理工艺，对温度、温升和冷却速度、淬火介质、回火次数等参数进行大量研究，并取得良好的效果。例如：滚动触头零件冷挤压模具，模具材料为Cr12钢，采用普通的一次硬化热处理工艺，寿命仅为6000～8000件，主要失效形式为开裂;改为锻热固溶淬火(1050℃油淬)+等温淬火(780℃)双重热处理工艺方法，可使模具寿命提高1.5倍以上。采用双重淬火工艺，可使碳化物呈弥散析出，均匀分布于钢的基体中，最终组织为10%下贝氏体+回火马氏体和弥散分布的碳化物及少量残余奥氏体。硬度58～62HRC，这种组织细密，有高的强韧性、耐磨性和良好的断裂韧性。

3.4 模具加工方法对模具寿命影响

电火花切割已广泛用于模具加工。由于线切割加工一般都是在热处理后进行，从而避免了热处理变形、表面脱碳等弊端。但由于线切割工艺大多采用快走丝方法，线切割后工件表面粗糙度Ra>2.5μm，硬度分布和内应力状态都较差。所以不经研磨或稍加研磨就装配使用，结果经常出现崩刃、折断、碎裂等现象。正常使用情况下，模具寿命也很低。

模具寿命低的原因主要是：线切割加工时，放电区电流密度很大(10000A/mm2)，温度很高(10000℃～12000℃)，加注的介质液急剧冷却，使切割表面层硬度仅有20HRC左右。其后为热影响区，再后才是原硬度区，而内部淬火层硬度高达70HRC以上。更为严重的是原材料内部因淬火呈拉应力状态，线切割所产生的热应力状态也是拉应力，两种拉应力叠加的结果很容易达到材料抗拉强度而产生微裂纹，从而大大缩短模具寿命。因此，线切割工艺不能作为挤压凸、凹模的最终加工工序。必须采取其他工艺方法消除应力。目前，最有效的消除应力措施有以下两种。

(1）研磨+回火处理

线切割加工后，用研磨的方法去掉表面20HRC的白层，再经160℃～180℃回火处理2h，则白层下面的高硬层可降低6～8HRC，线切割产生的热应力得以消除。从而提高了钢的韧性，延长了模具使用寿命。

(2）研磨+低温时效处理

线切割加工表面经研磨后，白层和高硬层基本去掉。再进行120℃～150℃下5h～10h低温时效处理(低温回火处理)，或采取160℃～180℃下4h～6h低温回火处理，可消除淬火层内部的拉应力。而硬度降低甚微，却大大提高了钢的韧性，降低了脆性，挤压模具寿命可提高4倍以上。若挤压模具在生产若干零件后，内部应力已经积聚很高。也可用此方法消除内应力，提高韧性从而提高模具寿命。

4 提高挤压模具寿命途径

4.1 正确选用模具材料

模具材料是影响冷挤压模具寿命的关键因素之一，模具制造周期长，成本高，材料费用仅为模具费用的10%～15%左右，因此，要尽可能选用品质优良钢材制造挤压模具。例如：(1)挤压形状较为复杂材质为20钢的支撑块零件时，选用3Cr2W8V材料，热处理硬度为48～52HRC，模具寿命仅为6000件左右，主要破坏形式为型腔角部破裂，模具工作表面磨损。改变工艺方法，进行气体碳氮共渗，模具表面硬度提高到60～62HRC后，模具使用寿命超过2万件;(2)挤压材质为Q235钢的轴挡和轴管类零件时，选用强度高，塑性和韧性好的7CrSiMnMoV(CH)材料。采用560℃预热+880℃油淬+200℃回火热处理工艺，其模具使用寿命可达到9000件左右。

4.2 减少挤压件壁厚差

前述分析可知，侧向力的来源很多，它们之间又有复杂的交互作用。因此，σ弯很难用精确计算求得，而且σ弯还与应力集中有关，所以，模具材料、加工方法和工作状况及凸模形状都会影响σ弯的大小。试验分析表明，凸模的σ弯与挤压件的偏心量e成正比。因此，可以用挤压件偏心量e来反映σ弯的大小。为便于分析，忽略工件内孔和外圆形状误差，偏心量就等于壁厚差之半。显然，测量工件壁厚差比测量弯曲应力σ弯简单多了。

设挤压件壁厚差为δ。

则由式(8)可得：

即说明挤压次数(模具寿命)与挤压件壁厚差的某一次方成反比，若其他情况不变，则减小挤压件壁厚差，凸模的疲劳寿命可得到很大提高。因此，壁厚差较小的挤压件不仅可提高挤压件精度，而且可大大地提高模具使用寿命。

4.3 表面强化处理

为进一步提高挤压模具寿命，可对挤压模具工作表面进行碳氮共渗、离子氮化、渗碳、渗硼及局部刷镀、喷涂等表面处理方法，使模具工作表面生成一层高强度、有极好耐磨性的化合物，从而增加模具耐磨性，以提高挤压模具寿命。

表面强化工艺中的PVD、CVD、PCVD技术均可用于模具工作表面处理，运用PCVD沉积工艺，可在模具工作表面形成TiC、TiN镀膜，模具寿命可提高几倍到几十倍。

5 结束语

综上分析可知，选用品质优良的冷挤压模具材料，正确合理的设计挤压凸模结构，采用先进的热处理工艺和表面强化处理技术，规范冷挤压模具使用过程控制，可有效的提高冷挤压模具使用寿命，从而达到提高冷挤压件生产率、节约材料、降低生产成本的目的。

参考文献

[1]卢吉连.花键套筒冷挤凸模的正确选材.机械工程材料,1998,(5):41-43.

[2]彭成允,等.3Cr2W8V钢用于冷挤压模.金属热处理,2001,(7):33-35.

[3]王德文.钢的冷挤压模具材料及其热处理.中国热处理年鉴,2003.

[4]王德文,主编.提高模具技术应用实例.北京:机械工业出版社,2004.

[5]钱苗根,主编.材料表面技术及应用手册.北京:机械工业出版社,1998.

模具寿命 篇2

摘要：本文结合工厂的压铸模具的实际失效情况，总结分析了压铸模的主要失效形式,系统地提出了分析压铸模具失效的方法和手段。从工程实用的角度提出了避免早期失效、提高模具寿命的方法。

压铸是一种节能、低价、高效的金属成形方式。压铸件具有尺寸精度高，表面光洁，强度和硬度高的特点，一般不需要机械加工或稍经加工便可使用，适合批量生产。但是在使用过程中，由于各种原因压铸模容易失效。

关键字:压铸模具 失效 提高寿命 1 压铸模具常见失效形式

下面结合工厂实际情况分析了压铸模具的失效形式和失效机理。

1.1热裂

热裂是模具最常见的失效形式，如图1所示。热裂纹通常形成于模具型腔表面或内部热应力集中处，当裂纹形成后，应力重新分布，裂纹发展到一定长度时，由于塑性应变而产生应力松弛使裂纹停止扩展。随着循环次数的增加，裂纹尖端附近出现一些小孔洞并逐渐形成微裂纹，与开始形成的主裂纹合并，裂纹继续扩展，最后裂纹间相互连接而导致模具失效。

1.2整体脆断

整体脆断是由于偶然的机械过载或热过载导致模具灾难性断裂。材料的塑韧性是与此现象相对应的最重要的力学性能。材料中有严重缺陷或操作不当,会引起整体脆断，如图2所示。

1.3侵蚀或冲刷

这是由于机械和化学腐蚀综合作用的结果,熔融铝合金高速射入型腔,造成型腔表面的机械磨蚀。同时,金属铝与模具材料生成脆性的铁铝化合物,成为热裂纹新的萌生源。此外,铝充填到裂纹之中与裂纹壁产生机械作用,并与热应力叠加,加剧裂纹尖端的拉应力,从而加快了裂纹的扩展。提高材料的高温强度和化学稳定性有利于增强材料的抗腐蚀能力。压铸模具常见失效分析方法

为了延长模具的使用寿命,节约成本,提高生产效率,就必须研究模具的失效形式和导致模具失效的原因以及模具失效的内部机理。由于压铸模具失效的原因比较复杂,要从模具的设计、材料选择、工作状态等很多方面来进行分析。图3为压铸模具常见失效分析图。

图 3 压铸模具常见失效分析方法

2.1裂纹的表面形状及裂纹扩展形貌分析

失效模具型腔表面主要是冲蚀坑，大小比较均匀，冒口所对部位有明显的冲蚀坑外，表面明显具有一定方向的划痕，划痕上分布有大小不等的铝合金块状物。由于正对浇口部位直接受金属液的冲刷，该部位具有明显的冲刷犁沟，同时可观察到划痕间有裂纹。裂纹从裂纹源出发，并向西周扩展。裂纹内有大量的夹杂物，裂纹边缘有二次裂纹。由于模具使用时间短，一般部位表面主要是冲蚀坑和焊合，而浇口所对部位主要为液态金属冲刷形成的犁沟和热疲劳裂纹。

由于高温液态金属的冲刷，模具型腔表面首先冲击坑及犁沟，模具的表面变得凸凹不平，造成局部应力远远大于名义应力，产生应力集中的现象，这些部位是裂纹产生的危险部位。另外，分布在模具型腔表面的夹杂物，如氧化物、硫化物等，在热循环过程中与基体脱离，直接成为热疲劳裂纹。一方面夹杂物同集体的弹性模量不同，当热应力及机械力作用时，在其周围形成应力集中;另一方面在冷却时夹杂物与基体有不同的热收缩，造成镶嵌应力，两者叠加的结果，在夹杂

物周围产生很大的应力场。应力集中的结果使冲击坑、犁沟及夹杂物成为疲劳裂纹的诱发核心和扩展优取向。

2.2残余应力分析

压铸模具的残余应力较为复杂,主要是在机械加工、电火花加工、热处理及生产过程中热冲击产生的热应力等原因产生。模具使用一定时间后,模具的表面的残余应力为压应力,裂纹前端无论是平行于裂纹扩展方向还是垂直于裂纹的扩展方向,都受压应力。型腔表面裂纹前端的残余应力大于裂纹沿深度方向裂纹前端的残余应力,模具的型腔表面温度变化大,产生的热应力的残余应力要大,而且模具投入使用之前的机械加工和热处理过程中模具表面产生的残余应力要大于模具内部。由于液态金属的冲刷,浇口所对部位的温度要高于一般部位,加上冲击力的作用,浇口所对部位的残余应力大于一般部位.残余应力范围90MPa-420MPa。

模具型腔表面残余应力的存在对裂纹的扩展有一定的影响,残余应力场中的裂纹扩展研究表明,残余应力可以增加裂纹的闭合程度,减缓裂纹的扩展速率.模具型腔表面形成的残余应力的大小及压应力存在的深度对减弱模具热疲劳裂纹的萌生和扩展有一定益处。

模具经过一定时间使用后,模具表面的残余应力为压应力,裂纹前端无论是平行于裂纹扩展方向还是垂直与裂纹扩展方向都受压应力。所以在模具的使用过程中隔一段时间要进行清洗和维修。

提高模具寿命的方法

对压铸模具失效及提高压铸模寿命的研究，无论是从实验方法还是对模具寿命的估算，都没有一个统一的标准，使压铸模具的使用寿命遇到了一个瓶颈，因此提高模具寿命是工程界一个十分艰巨的任务。

3.1精心设计压铸件和压铸模具

模具的局部开裂、型腔表面磨损以及型壁面交界处的裂纹等失效，往往是由于压铸件的工艺设计不合理所造成的。因此，设计压铸件必须注意以下几点：

(1)在满足压铸件结构强度的条件下，宜采用薄壁结构，这不仅减轻了压铸件的质量，而且也减少了模具的热载荷。

(2)压铸件壁厚应均匀，避免热节，以减少局部热量集中引起模具过早的热疲劳失效。

(3)压铸件所有转角处，应有适当的铸造圆角，以避免在模具相应部位形成棱角，产生裂纹和塌陷。

(4)压铸件上应尽量避免深而窄的凹穴，以避免模具相应部位出现尖劈，使散热条件恶化而产生断裂。

(5)压铸件应该有合理的脱模斜度，以避免开模抽芯取件时擦伤模具型壁。

3.2保证模具的加工质量

模具的加工制造、安装、装配的实际精度对模具的寿命有影响，需要引起重视，其中的磨削加工对模具寿命的影响很大，至少会从三个方面对损坏模具寿命：

(1)砂轮不锋利引起的摩擦使模具表面出现磨销裂纹。(2)摩擦热使模具表面软化，降低了模具抗热疲劳能力和内腐蚀能力。

(3)表面存在磨销应力，降低了模具的抗热疲劳能力和机械疲劳能力。

3.3选用优质钢材

压铸模具材料质量的提高于改进对其热疲劳寿命的提高影响极大。其中，气体中杂质的含量高、成分偏析及碳化物的不均匀程度严重，都会降低模具的热疲劳寿命。钢中的夹杂物往往是萌生裂纹的核心，夹杂物的尺寸大于某一临界尺寸后，疲劳强度随夹杂物颗粒尺寸的加大而下降。疲劳强度的下降与颗粒尺寸的立方成正比 [1][2]。

(1)采用先进的毛坯锻造工艺

采用先进的毛坯锻造工艺有两个目的，一是使碳化物分布均匀，二是形成合理的流线分布，以提高钢材的耐磨性和各项同性以及抗咬合能力 [1]。

(2)采用合理的热处理规范

作为压铸模具材料必须具有较高的热强度和回火稳定性，这样才有可能获得高的热疲劳抗力和耐磨性。从压铸工作条件和提高抗热疲劳性能出发，回火温度应尽量提高一些，但必须低于二次硬化温度。此外，为了使一次回火生成的马氏体充分回火，以及使残余奥氏体马氏体化，还应采取二次回火。

(3)采用表面强化处理

采用表面强化工艺提高模具表面的强度、耐磨性及耐蚀性，可以延长热裂纹萌生的孕育期，防止热裂纹的扩展，由此提高模具的使用寿命。常见的表面强化处理有：喷丸强化法、压应力冷作撞击法、蒸汽处理法、电火花放电强化法、高频淬火、软氮化、钨镍合金沉积法等 [1][2][3]。

(4)采用良好的操作规程

在操作前预热模具是十分重要的。不仅可以提高钢的韧性。同时也可以减少模具断面的温度梯度，以降低模具的热应力。但预热模具温度不能太高，过高的预热温度则会降低表层的屈服强度，反而会降低模具的使用寿命。合金的冶炼和保温也都应该严格按操作规范执行，特别是重视精练排气，减少材料内部的裂纹源 [3]。

要进一步提高模具的使用寿命，最重要的就是开发新的钢种并运用;建立全面的质量管理制度，提高职工的综合素质。

小结

模具的多种失效方式是影响压铸模具使用寿命的因素,本文结合工厂实际情况，通过对压铸模具失效及原因分析,系统地提出了若干改进方法,进而提高模具使用寿命。本文研究的内容对提高压铸模具的寿命有一定指导作用。

参考文献

模具寿命 篇3

关键词：冷冲压模具;使用寿命;途径

冷冲压磨具在提高企业生产效率、降低企业运行成本方面发挥着举足轻重的作用，但我国冷冲压磨具的加工精度、使用寿命远远低于西方等发达国家。探究冷冲压模具失效形式，针对性提出解决对策，具有重要意义。

1.冷冲压模具失效的具体形式分析

1.1模具磨损失效

摩擦是导致模具磨损失效的最重要因素，主要表现为表现沟痕、刀口钝化等。冷冲压磨具磨损主要与模具材料、结构、胚料、冲压速度等有密切关系。

1.2模具开裂失效

模具材质、设计强度、加工损伤以及热处理等因素是导致模具开裂失效的主要因素。在具体生产过程中，锻压不充分，将会产生一定微裂纹。在使用一段时间后，微裂纹将会纵深发展，导致模具开裂。

1.3模具变形失效

模具材料强度、热处理工艺、模具结构是影响模具变形的主要因素。变形失效指的是使用模具过程中出现的凸模弯曲甚至折断现象。

2.影响冷冲压模使用寿命因素探究

模具使用寿命的影响因素众多，相关研究资料统计，在影响模具使用寿命的各个因素中，其中，热处理不合理占百分之四十五，结构与材料因素约占百分之二十五，模具加工因素约占百分之十，模具使用因素约占百分之二十。结合模具失效形式以及主要影响因素，笔者提出如下解决对策。

3.提高冷冲压模具使用寿命的有效途径

• 完善冷冲压模具热处理工艺

3.1.1强化模具零件基体

通过集体强化处理，能有效降低模具变形与断裂。对于普通冷冲压模具，可以通过低温淬火、回火方式提高其强度。与此同时，还可以通过形变热处理工艺，增加位错密度，提升碳化物弥散硬度。

3.1.2强化模具表面工艺

强化模具表面工艺方式主要由以下几种：①表面涂覆。在模具表现涂覆金属化合物方式，有效提高模具耐腐蚀性与硬度。现阶段，镀膜技术与电镀技术的应用较为广泛。②化学热处理方式。这种处理工艺主要是将模具零件加热到一定温度，并在表面渗入一定化学元素，进而形成一层化合物层或非金属层，有效改变模具表现的组织性能与化学成分。现阶段应用较为广泛的化学处理技术与渗C技术，渗N技术，渗B技术以及C、N共渗技术等。

3.1.3表面加工处理

表面加工处理方式是通过改变金属表面组织结构方式达到强化目的。这种加工方式效率高、时间短，能有效促进模具表面结构变化，提高其组织性能与耐磨性能，尤其适用于表面粗糙度与工件形状的维持。现阶段，应用最为广泛的有电火花表面强化处理，喷丸表面处理以及热淬火处理，上述方式操作简单、方便。

•  合理冷冲压模选择模具材料，科学设计具结构

冷冲压模具材料与设计结构也是影响其使用寿命的重要因素。为了有效提升模具使用寿命，在具体选材过程中，可以结合冲裁产品批量与材质进行选择。如果冲裁批量比较大，需要选择耐磨性能、强度、韧性较高的模具，若冲裁批量不大，可选择一般模具。被冲压件质量与材料要求，决定了冷冲压模具选型。若模具冲压件尺寸公差标准高，间隙要求较小，模具的凸、凹模与冲压件摩擦较大时，需选择韧性与耐磨性较高的材料。

科学的冷冲压模具结构是延长其使用寿命的重要方面，在具体模具结构设计中，设计合理的模具间隙，尽可能保障各结构受力均匀，特别是截面、壁厚悬殊、内凹角等结构，预防应力过于集中而出现的变形、破裂。具体来说，应从以下几方面着手：①设计凸模时，加强保护与支撑，尤其是尺寸小、设计冲小的凸模，一定要加强保护与自身导向。②为了尽可能降低窄槽、夹角等部位应力集中，需要使用圆弧进行过渡。③选择镶拼结构能有效降低复杂凹模的预应力集中现象。④合理选择模具凸模、凹模的圆角半径，若选择不合理，将会严重影响其使用寿命。⑤适当增加模具间隙，能有效缓解模具受力情况，减小出件力与冲裁力，有效缓解模具刀口磨损程度。⑥在设计多工位级进模过程中，必须准确定位粗、精两级，强化工艺接口、防跳斜等工艺设计。

4.加强模具使用与保养

加强模具使用与保养，能有效提升模具使用寿命。使用模具过程中，严格按照相关操作流程与标准进行，严格控制进入凹模深度，有效降低磨损。若使用后的模具表面粗糙，需要及时进行抛光修护。做到提前修模，避免磨损而出现的附加弯矩。加强模具的存放与保管，保持一定的存放空间，有效保护刀口。对于长期不使用的模具，需要进行表面涂油处理。

5.结语

综上所述，本文针对冷冲压模具失效的具体形式与影响因素开始入手分析，从三个方面：完善冷冲压模具热处理工艺，科学设计冷冲压模具结构，加强模具使用与保养，详细论述了提高冷冲压模具使用寿命的有效途径，旨在为一线工作提供理论指导。

参考文献：

[1]谭海鸥，陈小艳.并行工程在冷冲压模具开发中的应用[J].机械管理开发，2008（6）

[2]梁 波.冷冲压中冲裁力和冲裁功的设计计算[J].中华民居，2011（1）

简析如何提高模具寿命 篇4

关键词：模具寿命,过早失效,模具材料,热处理,硬化层

通常模具损坏的形式有事故损坏和正常损坏两大类。模具事故损坏是由于模具安装调试不当而导致模具刃口损坏、送料或取件不当而冲坏刃口或折断凸模, 因此模具事故损坏在生产中应引起足够的重视, 除在模具结构上采取一定的预防措施, 还要对操作人员加强培训和制定必要的操作规范。下面重点分析模具在非事故损坏情况下, 如何提高模具寿命。

1 模具正常损坏过早失效的原因

(1) 零件本身工艺性差或工艺路线安排不当、毛坯尺寸、材料硬度不合适、表面质量差; (2) 模具设计不合理, 如模具的刚度、强度考虑不当, 导向不好, 卸料、顶件设计不合理, 间隙大小不合适, 选材不当, 结构不合理等; (3) 模具制造不良, 原材料不符合规范要求, 锻造、热处理及表面处理不合适, 机械加工精度及表面粗糙度不高等; (4) 在操作时凸模进入凹模口太深, 模具润滑不好; (5) 设备刚度和强度不够、吨位不合适, 冲裁速度不当。

2 提高凸模和凹模寿命的措施

2.1 工具钢的分类

根据加工材料和生产批量、零件形状、工艺要求, 合理选择模具材料冲模用钢, 按照化学成分可分为碳素工具钢、低合金工具钢、高合金工具钢、钢结硬质合金。

2.1.1 碳素工具钢

由于碳素工具钢的生产成本较低, 原材料容易购买, 加工性能优良, 热处理后可以获得较高的硬度和一定的耐磨性, 但是, 这类钢的淬透性、红硬性差, 淬火变形大, 淬火温度范围窄, 常用于制造负荷不大、形状简单、尺寸小、生产批量小的模具, 不适宜制造大中型和复杂的模具零件。

2.1.2 低合金工具钢

低合金工具钢因含有一定量的合金元素, 所以比碳素工具钢具有更高的淬透性、淬硬性和耐磨性, 一般情况下淬火变形也较小, 因此被广泛应用于制作形状复杂、变形要求严格的中小型冲模。常用于制造冲模的低合金工具钢有9Mn2V、9Si Cr、Cr WMn、8Mn Si等。

2.1.3 高合金工具钢

(1) 冲模常用的高合金工具钢有Cr12、Cr12Mo V。Cr12钢具有高淬透性、高耐磨性和热处理变形小等优点, 被广泛地用于制作承受载荷大、生产批量大、形状复杂的模具零件。Cr12钢的缺点是碳化物分布很不均匀, 造成强度大为降低, 模具在工作时刃口容易崩落, 此外淬火加热温度的波动, 会引起组织和性能的很大变化, 因此对Cr12钢应严格控制热处理工艺, 改善碳化物不均匀性, 使其获得较好的综合机械性能。

(2) 冷挤模常用的高速钢有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5C r4V。W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2与6W6Mo5Cr4V钢含合金元素都很高, 热处理后有高硬度、高热硬性、高耐磨性和高抗压强度的特性, 主要用于制造冷挤压黑色金属的凸模, 但是其碳化物不均匀性级别高低以及热处理工艺是否合理, 对模具的寿命有很大影响, 与W18Cr4V相比, W6Mo5Cr4V2具有碳化物颗粒小、分布较均匀, 不但硬度与强度高, 而且韧性也较好的优势, W18Cr4V与W6Mo5Cr4V2都具有良好的淬透性, 对于尺寸不大的模具零件, 一般空冷即可淬硬, 由于钢中含有大量的合金碳化物, 故在较高温度下淬火, 仍能保持细晶粒, 具有较高的机械性能。

2.1.4 钢结硬质合金。

冲模常用的钢结硬质合金有GT35、TLMW50, 它是介于硬质合金与工具钢之间的一种新型模具材料, 以碳化物为硬质相, 所以它和一般硬质合金一样, 具有比工具钢更高的硬度、刚性和耐磨性, 同时比一般硬质合金有着更高的强度和韧性, 可进行切削加工和一定的变形, 具有一定的可锻性, 经淬火、回火处理以后, 可获得较好的综合机械性能, 并且淬火变形极小。

2.2 选择合理的热处理工艺

一些模具往往由于热处理后的变形或开裂而报废, 所以模具在热处理时, 必须在保证提高机械性能的同时尽量减少变形和避免开裂。影响模具热处理变形或开裂的因素较多, 其中其中热处理工艺的选择是重要因素之一。

2.3 模具主要零件的毛坯采用锻造来改善原材料的性能

模具毛坯通过锻造, 是材料的组织细密, 碳化物分布和流线分布合理, 从而达到改善热处理性能和提高使用寿命的效果。

2.4 模具表面喷涂一层硬化层

在凸模和凹模刃口表面喷涂一层硬化物, 如W、Cr、Ti等导电材料, 通过真空蒸发设备喷涂到模具刃口部分, 形成一层耐磨层, 可提高模具寿命2~3倍。

2.5 模具刃口喷射雾状润滑剂

在高速冲孔落料时, 由于金属和模具间的剧烈摩擦, 材料的分离面和模具刃口部分温度高达几百度, 若在刃口附近喷射雾状润滑冷却液, 能有效减少摩擦, 降低温度, 提高模具寿命的效果。

2.6 在模具表面渗入其它元素

在凸模和凹模刃口表面渗入元素N、S, 即所谓氮化处理和硫化处理, 经过处理后, 表面形成一层高硬度的化合物, 增加了抗磨损能力的同时也保留了基体的韧性, 渗硫后, 能明显降低凸模、凹模与冲压材料间的摩擦系数, 对抗咬、粘很有效果。

3 结束语

在实际生产中, 可根据加工材料和生产批量、零件形状、工艺路线, 合理选择模具材料、改善热处理工艺、模具表面渗入其它元素、喷涂润滑剂等方法来提高模具寿命, 但不可能都采用上述的多种措施, 只能根据具体的生产情况和经济条件选用其中的一种或几种, 以达到提高生产效率、降低成本的目的。

参考文献

[1]肖景荣.板料冲压[M].武汉:华中工学院出版社, 2008.

[2]王孝培.冲压手册[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[3]史美堂.金属材料及热处理[M].上海:上海科学技术出版社, 2012.

提高模具使用寿命的方法分析 篇5

合理的模具设计方案是保证其寿命的基础, 这里很多因素需要考虑。制成品的批量、形状和精度等决定了模具的结构方案, 并要注重其使用的经济性;好的结构方案, 不但拥有紧凑的结构和灵活方便的操作, 而且能使各零部件有足够的刚度强度;模具零件各表面的转角应尽量成圆角过渡, 来消除应力集中;可采用组合和镶拼的方式来消除凹模、型腔及部分凸模、型芯的应力集中问题, 应采取适当的措施来保护细长凸模或型芯;长期使用中滑动配合件、频繁撞击件的磨损对模具寿命也有很大的影响, 减少其磨损应在重点考虑之列;在设计冷冲模时, 应设置避免制件或废料堵塞的机构。模具可靠的导向机构, 对于避免凸模和凹模间的互相啃伤是有帮助的, 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, 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。

2 选用模具材料时应注意的问题

选择模具材料的原则依据加工批量、制造工艺方法和加工对象而制定。易变形、易断裂的普通模具, 应选择高强度、高韧性的碳素工具钢;对于容易刃口磨损的冲裁模, 应使用硬度高、较耐磨、加工性能好、热处理淬火时变形小、淬透性高的材料;冲压模的主要失效形式是表面疲劳裂纹导致的表层剥落, 要使用表面韧性好的钢材;磨擦系数特别低的材料比较适合拉深模;热锻模需要材料具有较强的韧度、强度、耐磨性和抗冷热疲劳的能力, 合金工具钢比较合适;受到循环热应力作用的压铸模, 应选择耐热疲劳、高温环境强度高的热作模具钢;塑料模具要使用易切削加工、组织结构密实、表面抛光性好的材料;设计凸模和凹模时, 应考虑硬度不同或材料不同的模具的搭配, 以延长其各自寿命。此外, 选用的模具材料应与成品件具有较弱的亲和力, 以防止制件与模具粘合, 磨损模具的零件, 缩短模具的使用寿命。

3 在制造模具的过程中需要解决的问题

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。为了确保模具的寿命也应把制造模具的过程提到十分重要位置, 这里影响其使用寿命的因素主要是加工方法和精度。

3.1 合理制定模具钢的锻造规范

模具材料多为高碳、高合金钢, 不同程度地存在成分偏析、组织偏析、碳化物偏析等缺陷, 不能直接用于制模。同时, 所用原材料的形状及尺寸很难与模块相符, 锻造是获得所需内部组织和使用性能以及减少机械加工量必不可少的手段。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。

模具钢一般导热性较差, 加热速度必须缓慢均匀, 大的锻件一般采用预加热或以阶梯加热方式控制加热速度, 钢件在炉膛内的位置要适当, 有时还要反复翻转, 以使受热尽量均匀。为最大限度地打碎和均匀碳化物, 需采取墩粗加拔长且反复多次的变形工艺, 最后像揉面团一样, 上下、前后、左右翻动, 使其内部变形充分且均匀。坯料锻后均应缓慢冷却, 随炉缓慢冷却或在热灰箱中冷却。但对于Cr12等莱氏体钢, 锻后若采用缓慢冷却, 易在晶界上析出网状碳化物, 从而影响毛坏质量, 故一般应先快冷至700℃左右, 然后进行坑冷或入炉缓冷。锻件应尽量减少锻造火次, 以控制坯料的氧化与脱碳。

3.2 选用合理的模具热处理工艺

提高模具性能的方法有很多, 采用热处理新技术是成本适宜而又很有效的途径。模具热处理工艺主要包括基体强韧化和表面强化处理;基体的强韧化是为了增强基体的韧度和强度, 降低断裂和变形的出现。表面强化主要是为了增加表面的耐磨、耐腐蚀性和润滑性能。

3.2.1 模具的整体强韧化工艺

材料失效的主要原因是应力集中和疲劳断裂。为了增加普通冷作模具钢的韧性, 降低脆性和折断, 可使用低温淬火与低温回火的工艺;高温淬火与高温回火工艺能显著地增强热作模具钢的强韧性和热稳定性。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, 但可提高模具抗折断和抗疲劳破坏的能力。为了减少残留应力, 模具淬火后应趁热进行回火, 回火的作用是使才材料因为在短时间里面淬火产生的内应力慢慢释放掉, 回火应充分, 回火不充分易产生磨前裂纹。

3.2.2 模具的表面强化热处理工艺

经研究发现, 磨损、粘结均发生在模具的表面, 常见的疲劳、断裂也往往从表面开始。为了更好地提高模具寿命, 需要增强零件表面的耐磨性, 对主要成形零部件采用表面强化处理是最直接的途径。模具表面强化工艺主要有气体氮化、离子氮化、电火花表面强化、渗硼、热扩散碳化物覆层、化学气相沉积、物理气相沉积、激光表面强化、离子注入、等离子喷涂法等。在实际生产中, 要根据模具的不同用途来采取不同的表面强化工艺。举例说明之, 为了增强冲裁模表层的耐磨性和抗压强度, 可采取电火花、硬质合金堆焊等强化方法;对于热加工模具 (压铸模、塑料模) 的表面可使用渗氮方法处理, 以达到增强其耐磨、耐热疲劳和耐腐蚀性的目的;拉深模、弯曲模主要是生产中摩擦造成的磨损, 为了增强材料的耐磨性可用渗硫工艺来降低摩擦系数;碳氮共渗适合各类模具的表面强化。表面覆层硬化技术中的PVD、CVD近年来获得较大的进展, 在PVD中常用的有真空蒸镀、真空溅射镀和离子镀, 其中离子镀层具有附着力强、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。

3.2.3 在模具的机械加工过程中应注意的工艺问题

机加工艺直接影响着模具的使用寿命和产品质量, 实践研究发现:如能让模具的型腔表面粗糙度改进一倍, 就能让其使用寿命增加50%, 而实现的前提是能保证正确的加工工艺。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的问题。粗加工时最好不要使表面粗糙度Ra大于3.2μm, 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。在精加工时走刀量要小, 不允许出现刀痕。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。锻模模腔的粗糙度直接影响锻模寿命, 由于粗糙度值高会使金属流动阻力增加, 使锻件不易脱模。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。

摘要：模具被人们称为工业之父, 由于现代工业的自动化程度越来越高, 模具的使用范围也越广泛, 可在我国的较多中小企业中, 其寿命还很低, 仅相当于国外同行业的1/3到1/5。模具的寿命低, 不但会降低产品质量, 更会产生浪费模具材料、增加加工工时等严重的后果, 使产品的成本居高不下并严重影响生产效率。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%。模具寿命与模具设计、制造、使用和维修等环节有关。通过分析大量失效模具发现, 在各种因素中, 45%与不适当的热处理有关, 不合理的模具结构和选材不当大约占25%, 润滑不及时和设备维护因素大约占20%, 工艺处理不当约占10%。

提高热锻模具寿命的有效途径 篇6

锻造产品已广泛应用于国民经济发展的各个领域,与铸造产品相比具有显著的优越性,它不但能获得金属零件的形状,而且具有良好的内部组织、力学性能和物理性能。但是,在实际锻造生产中由于锻模选材与设计不合理、使用不当、维护保养不到位等造成锻模变形、损坏,严重制约着生产效率、产品质量的提高。为此,本文就锻模的设计、处理、使用等方面存在的问题进行了分析研究,并提出了具体的解决方案,对提高锻模寿命、产品质量以及降低生产成本具有指导意义。

1 热锻模具失效的主要形式

热锻模具的主要失效形式有:变形、裂纹、开裂、热磨损四种。

(1)变形。指在高温下毛坯与模具长期接触使用后模具发生塑性变形。主要表现形式为模具的局部塌陷。一般出现在工作载荷大、工作温度高的挤压模具和锻造模具凸起部分等。

(2)裂纹。模具表面出现网状裂纹。工作时温差大和遭受急冷急热温度变化的热锻模具容易出现热疲劳裂纹。

(3)开裂。指模具本身承载能力不足以抵抗工作载荷而出现的材料断裂,包括脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂和腐蚀断裂等多种形式。热锻模具的开裂(尤其是早期开裂),与工作载荷过大、材料处理不当以及应力集中等相关。

(4)热磨损。模具工作部分与被加工材料之间剧烈的相对运动产生引起的模具尺寸超差和表面损伤。相对运动剧烈和模具的凸起部位容易产生磨损失效。

2 提高热锻模具寿命的有效途径

2.1 正确选用锻模材料

选择锻模材料应满足以下基本要求:(1)有良好的综合力学性能,即较高的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、冲击韧性以及硬度。(2)具有良好的组织稳定性。有的锻件材料采用的是高合金钢,变形抗力比普通碳钢高的多,若组织发生变化,性能下降,将大大降低模具寿命。(3)要有良好的抗冷、热疲劳性能,以减缓因冷热交变而引起的疲劳裂纹。(4)应具有良好的冶金质量,不允许有金属或非金属夹杂物、缩孔残余、白点、裂纹、严重的疏松或偏析等低倍缺陷,以及过热、过烧、严重脱碳、渗碳、晶粒不均匀等高低倍组织缺陷。

目前常用的锻模材料有:(1)高韧性半耐热模具钢。在250～425℃工作时具有较高的强度和冲击韧性。如:5CrNiMo、5CrMnMo等。(2)中等韧性耐热模具钢。这类钢具有较高的冲击韧性,在600℃工作时,有较高的强度。如:3Cr2W8V、4Cr5MoVSi等。(3)耐高温抗磨损钢。虽然它的冲击韧性较差,但是在600℃工作时,具有更高的硬度和抗磨损的性能。如:4Cr3Mo3W4VTiNb、6Cr4Mo3Ni2WV等。

2.2 合理设计锻模

(1)锻模上的圆角半径不能太小:锻模上的圆角,特别是型腔深处的凹圆角半径不能过小,金属充填小圆角需要很大的压力,这是由于被流动金属推挤到凹圆角处的润滑剂燃烧产生的气体需要很大的压力来克服,并且该部位有应力集中,容易产生裂纹。

(2)型腔壁厚和模块厚度要足够大:锻模,特别是大吨位锻锤使用的锻模,型腔壁厚应大于其型腔深度的1.5倍,以防变形金属在锤击下向水平方向冲击,从而使锻模承受过大的应力。模块厚度也不能过小,因为锻模厚度过小时,应力分布很不均匀,随着锻模厚度的增加,差别减少,一般建议模块厚度应为型腔深度的2.5～7倍较为合适。

(3)毛边槽、桥部尺寸应合理:在保证造成足够阻力的前提下,高度尺寸不宜过小,否则,多余的金属向毛边槽流动的阻力过大,容易胀裂桥部。

(4)在模块上分布型腔时,应注意纤维方向不能与打击方向平行,否则,在打击力作用下容易使模块沿纤维方向裂开。

2.3 模具热处理要规范

(1)细化碳化物、清除链状碳化物的组织预处理

有的锻模钢采用预先正火,高温淬火、回火处理,可降低模具的断裂脆性,不仅增强抗热疲劳和热磨损能力,还能改善锻模大面积的尺寸敏感性。

(2)利用高温淬火、高温回火工艺,可提高某些模具钢材料的热硬性和热稳定性。

(3)利用低温回火工艺(温度低于450℃),可提高用作轧辊的热模具材料的硬度、强度、韧性和抗疲劳能力。

2.4 锻模的操作使用要得当

正确使用锻模,包括锻模的预热、终锻温度的控制、及时进行润滑冷却和清除氧化皮、随时修磨出现的缺陷等,可以有效提高锻模使用寿命。

(1)锻模的预热

热锻模的导热性较差,为避免锻模横截面上出现大的温差,以及由温差引起的温度应力,改善锻模室温冲击性差的状况,锻模在锻前必须预热(一般预热温度在200～300℃),以减少锻模表层与心部的温差,降低温度应力,提高冲击韧性。锻模预热还有利于减少坯料降温,使其保持塑性,降低变形抗力,减少锤击次数,从而达到减轻锻模负荷,延长锻模使用寿命的目的。

(2)锻模的润滑

润滑有两个作用,一是减少坯料与锻模型腔间的摩擦,有利于金属流动。因为润滑剂在高温下处于熔化状态,能润滑锻模,使坯料与锻模型面间的干摩擦变为湿摩擦。有些润滑剂燃烧后成为气体,压入细小的凹坑内,从而改善坯料与型腔表面的接触状态。二是冷却锻模,保持锻模表面的硬度,减少磨损,因为润滑剂的作用使得原来的坯料与锻模型腔表面的直接接触变为间接接触。

(3)锻模的冷却

在锻造生产过程中,由于锻模型腔与高温坯料直接接触,使锻模温度不断升高,局部地方甚至超过了锻模材料的回火温度,导致锻模抗摩擦能力和强度降低,产生塑性变形,使锻模失效,因此需要冷却锻模,保证锻模具有一定的强度和硬度。

(4)锻模的清理

氧化皮对锻件产品质量有较大的影响,如不及时清理氧化皮可能会导致锻件高度尺寸不足,以及锻件表面有凹坑和麻点。

在金属流动过程中,氧化皮的存在会加剧锻模磨损,因此,要尽量减少坯料加热时间,采用少无氧化加热。终锻前采用制坯方式或机械方法清除坯料上的氧化皮,以减少锻模的磨损。

2.5 锻模的维护与保养

锻模在使用完之后,要认真检查锻模的使用状况,型腔有无塑性变形、压塌、划痕和裂纹,一经发现应及时修理。当型腔磨损严重而使尺寸超出公差范围,或局部出现较大的疲劳裂纹,继续使用会影响锻件质量时,锻模必须翻新。翻新修复时应考虑到锻模的厚度和闭合高度。翻新次数过多导致锻模厚度太薄,容易被击碎。

锻模如局部产生变形或裂纹,也可用堆焊工艺修复。堆焊前应清理氧化皮和油污并预热到200～300℃,以防堆焊温度过高产生裂纹。堆焊完成后,应放在沙堆或石棉粉中冷却,然后再进行机加工。

如锻模需放置一段时间,应清理掉锻模上的残渣和尘污,然后用黄油喷涂在整个模面和型腔,封存在模具库中。

3 结束语

由于热锻过程的复杂性,造成锻模损坏的因素众多,锻模在使用中难以控制,不但要求模具选材、模具设计、热处理等、使用与维护要合理,而且与设备状态、工人操作等密切相关。因此在实际生产中,针对不同的锻模材料、设备特点等,要进行合理的热处理工艺和模具优化设计,并组织员工进行专业性培训,以最大限度地提高锻模寿命。

参考文献

[1]吕炎.锻模设计手册.北京:机械工业出版社(第2版),2006.1.

[2]马森林.热锻模具选材与制造工艺探讨.汽车工艺与材料,2005,(1):26-30.

模具热处理工艺及使用寿命 篇7

模具在金属切削加工过程中, 为改善切削加工性能及获得最终的综合力学性能, 一般都要经过预先热处理和最终热处理。金属切削加工前的热处理称为第一热处理或预备热处理。金属切削加工后, 为达到模具的使用性能要求, 需要进行热处理, 称为最终热处理或第二热处理。在生产中, 热处理工艺的安排是根据模具的材料和技术要求而定的, 同时对模具的最终力学性能起着决定性的作用。因此合理安排热处理工序对降低产品成本, 减少废品, 提高模具质量尤为重要。下面就结合我公司情况对几种材质模具热处理工艺安排情况介绍如下。

预先热处理

预先热处理一般安排在金属切削加工前, 或金属切削加工后最终热处理前, 预先热处理目的主要集中在几个方面:改变毛坯或原材料的硬度以改善切削加工性能;消除毛坯或金属切削加工中的应力;改善内部组织, 使组织均匀。由于大多数模具毛坯是采用锻造方法获得, 锻造后晶粒较粗大、组织不均匀、内应力较高、金属切削加工困难, 因此通过预先热处理应达到组织均匀, 细化晶粒、消除残余应力, 改善化学成分的偏析和组织的不均匀性, 从而改善组织和力学性能, 并为最终热处理作好组织准备。

模具钢的预先热处理一般为退火, 根据模具选材的不同、使用性能的不同采用退火的方式也不一样, 因此预先热处理可采用完全退火、等温退火、去应力退火等方法。

1.完全退火

对于中碳合金钢的热作模5CrMnMo和5CrNiMo, 一般毛坯锻造后为消除内应力, 降低硬度, 便于金属切削加工及改善化学成分的偏析和组织的不均匀性, 通常采用完全退火, 即将锻件加热到A c3以上30～50℃, 经过保温使钢的组织全部奥氏体化, 然后随炉缓冷400～500℃, 取出空冷。完全退火的目的是消除锻造过程中造成的粗大不均匀组织和魏氏体组织, 使晶粒细化, 同时消除了锻件内的残余应力并降低了硬度, 便于金属切削加工。若锻件沿晶界出现网状碳化物时, 则先进行正火处理, 消除网状碳化物, 然后进行完全退火。

2.等温退火

适用于高碳高合金冷作模具钢如T10A、9M n2V、9S i C r、GCr15、Cr12、Cr12MoV及热作模3C r2W8V等, 退火温度同完全退火, 其目的与完全退火和球化退火目的也相同, 即将锻件加热到A c3 (亚共析钢) 或A c1 (过共析钢) 以上20～30℃, 经过一定时间的保温, 然后急速冷却A r1以下, 在这个温度下作等温停留, 使奥氏体向珠光体转变, 然后炉冷500～600℃, 取出空冷。等温退火主要适用退火周期较长的合金钢。另外, 等温退火后的珠光体是恒温得到的, 锻件能获得内外一致的组织, 因而普遍使用。

3.去应力退火

对于一些形状复杂、厚薄相差大, 有尖锐钝边、易变形开裂的工件, 常在金属切削加工后, 为消除应力, 常采用去应力退火, 以减少构件内部应力, 避免制件开裂, 然后进行金属切削加工或在淬火前安排此工序。

最终热处理

各类冷作模及热作模在半精加工后, 磨削加工前都要进行淬火及回火处理。淬火是将工件加热到Ac3或Ac1以上某一温度, 保持一定时间, 然后以适当速度冷却的热处理工艺, 其目的是提高模具材料硬度、强度和耐磨性。回火是为了消除应力, 提高韧性、稳定组织和保证模具尺寸的目的。

1.冷作模具热处理

冷作模具根据其性能要求, 应具有高的硬度和耐磨性, 有足够的抗弯强度和韧性, 模具一般为共析钢和过共析钢, 如T10A、9M n2V, 9S i C r、G C r15、C r12及C r12M o V。另外, 形状复杂的冷作模, 要求钢的热变形要小, 对于挤压模还要求一定的红硬性, 因此不同类型的冷作模的热处理工艺是根据模具的性能不同而采用不同的工艺方法。对于冷作模具的淬火质量要求在于能否得到淬硬组织和最小的热处理变形, 因此在可能的条件下适当提高冷作模的淬火加热温度, 合理选择淬火介质, 以获得较深的淬硬层和较少的热处理变形, 这是模具热处理的关键。

冷作模的加热速度和方法, 应根据模具大小和形状来确定, 小型模具可盐浴加热, 大型模具可用箱式炉加热并具有防止脱碳的措施。模具冷却采用油、盐浴、碱浴和硝盐等, 具体选用何种介质, 应根据模具材料、性能要求、技术条件来决定。

冷作模淬火后应及时回火, 回火温度根据冷作模的硬度要求来定, 并结合模具材质, 使用要求合理的选择回火温度, 如9SiCr回火稳定性差, 高于180℃回火时, 硬度下降很大, 故回火温度应在160～170℃, 回火时间1.5～2h。而C r12M o V一般采用980～1030℃淬火, 如希望得到较高的硬度, 淬火温度可取上限, 这样处理钢中的残余奥氏体量在20%左右。回火温度一般在200℃, 回火温度升高时硬度降低, 但强度和韧性提高。采用1050～1080℃的淬火温度, 淬火后钢中有大量残余奥氏体, 硬度比较低。然后采用较高的温度 (490～520℃) 回火并多次进行, 硬度可提高到60～62HRC。

2.热作模具热处理

热作模具根据其工作条件和性能要求决定了自身的热处理工艺特点。热作模是使热态金属获得所需要的形状的模具, 包括热锻模、热顶锻模、热挤压模。热作模在工作过程中要承受冲击载荷、压应力、弯曲应力、模腔与炽热金属有强烈的摩擦及反复体积变化。模具要求具有一定的硬度和足够的耐磨性, 高温下保持高的强度和冲击韧性、导热性、抗疲劳抗力并具抗氧化性及耐腐蚀的能力。为赋予热作模上述力学性能, 模具要进行淬火及高温回火, 使基体获得屈氏体或回火索氏体组织, 以保持较高的韧性。另外, 由于热变形模具钢W、M o、V等碳化物在回火时析出, 产生二次硬化, 使模具钢在较高温度下仍然保持相当高的硬度, 这是热变形模具钢正常工作的重要条件。因此热作模的淬火温度应根据模具的用途和材料来定, 但也不是一成不变的, 如5C r M n M o热锻模常规淬火热处理工艺温度840～860℃, 而为了提高模具的寿命, 通常提高模具的淬火温度, 即对上述常规热处理工艺进行调整, 在其他工艺参数不变的条件下, 将淬火温度提高至950℃, 模具的使用寿命能提高2.5倍, 这主要是因为过热淬火改善了模具的韧性。

为减少热作模具的淬火变形, 可采用淬火冷却前进行预冷, 然后空冷或中温盐浴。为彻底消除内应力, 根据材质的不同采用不同的回火温度回火两次, 回火时间1～2h。有些热作模为避免回火脆性, 如3C r2W8V回火油冷后, 还要增加160～200℃补充回火一次。

工艺路线安排

各类冷作模、热作模为获得良好的综合力学性能, 减少内应力、获得要求的表面质量, 一般工艺过程必须都经历预先热处理、金属切削加工、最终热处理等工序。

冷作模等温退火后的珠光体是恒温得到的, 毛坯能获得内外一致的组织, 我们通常采用的工艺路线为:

(1) 简单模具等温退火、金属切削加工、淬火、回火、金属切削加工 (磨削) 。

(2) 对于一些形状复杂、厚薄相差大, 有尖锐钝边、易变形开裂的工件采用等温退火、金属切削加工、去应力退火、金属切削加工、淬火、回火、金属切削加工 (磨削) 。

热作模为便于金属切削加工及改善化学成分的偏析和组织的不均匀性, 通常采用完全退火或正火加完全退火进行预先热处理, 因此对简单模具采用完全退火、金属切削加工、淬火、回火、金属切削加工 (磨削) 。对于一些形状复杂、厚薄相差大, 有尖锐钝边、易变形开裂的工件采用完全退火 (或正火加完全退火) 、金属切削加工、去应力退火、金属切削加工、淬火、回火、金属切削加工 (磨削) 。

结语

总之, 由上所述预先热处理及最终热处理工艺方法对于改善模具组织结构、提高金属切削加工性能、增加工件的使用寿命尤为重要。模具应根据材质及使用性能, 选择合理的热处理工艺方案, 并根据模具具体情况在工艺路线中合理安排, 但这也不是一成不变的, 对于同一材质的不同模具, 又可采用不同的热处理方法, 不同的工艺路线, 因而获得的组织及力学性能也不相同。在生产中应在满足模具要求的不同适当安排, 这样才能使企业获得较大的经济效益。

铝合金挤压模具寿命影响因素 篇8

关键词：挤压模具,使用寿命,模具材料,热处理技术

1 引言

模具是挤压生产中的必不可少工艺装备, 随着铝合金挤压材向大型化、复杂化、精密化、多品种、多用途方向发展, 对挤压工模具提出了更高的要求。一般来说, 在挤压铝合金制品时, 模具要承受挤压环境下的恶劣因素, 使得模具的强度变低, 容易产生裂纹、变形等缺陷, 最后导致工模具失效、报废, 缩短了工模具使用寿命, 增加了成本, 因而, 如何提高模具的质量、延长使用寿命和降低生产成本已成为各个厂家迫切需要解决的问题。

2 模具的失效

挤压工模具质量的好坏, 特别是使用寿命的高低, 很大程度上取决于材料的选用和热处理。据统计, 因材料和模具热处理问题造成的失效占整个失效的60%左右。

裂纹、磨损、塑性变形是铝合金挤压模具失效的主要原因, 而裂纹造成模具失效的危害相比其他两种要大的多。

2.1 裂纹

无论是空心还是实心型材模具, 在模子模孔的角部都会产生裂纹, 并会沿着径向扩展, 裂纹扩展到一定的程度, 将严重削弱模具的承载能力而引起断裂。造成模具产生裂纹有模具设计、模具材料、加工工艺等诸多因素, 如图1。

2.2 磨损

一旦模具本身的工作带光洁度达不到要求, 加之铝料在高温高压下经过模孔, 产生摩擦, 就会产生磨损, 它产生的模具失效形式主要是压坑、麻面、擦伤和尺寸超差等。

2.3 变形

模具在使用中如果出现型材中心与模具中心偏心、模孔达不到垂直度或平行度要求, 使挤压出来的制品出现尺寸或形状发生变化等现象, 就是变形失效。

3 挤压模具材料的选择

挤压模具要有热稳定性、热强性、热耐磨性和热疲劳强度等性能要求才能满足其恶劣的工作环境。

因挤压模具的工作条件差, 故选择模具钢非常严格, 一般模具钢要有适应挤压环境所必需的性能如高强度、硬度、高的耐热性等等。还要结合实际条件选择材料, 不能盲目的看价格高低。选择的模具钢要满足工模具设计的技术要求, 要求锻造的必须锻造, 否则, 加工的模具达不到设计者初期要求。

4 模具设计要合理

挤压模具设计是否合理将直接影响模具的使用寿命、产品的表面质量等因素。无论是型材模具, 还是棒材模具, 在模具设计时都要遵循一定的原则。因此, 要使模具设计的合理, 应着重做好以下几方面的工作。

(1) 型材模具比较复杂, 在设计模具时因为模孔的尖角容易产生应力集中, 因此, 要考虑模子的强度, 避免模孔间距和模孔边缘距离太小。

(2) 实心型材由于形状比较复杂、大多型材存在不对称性或型材各处的壁厚相差很大, 往往由于模孔离挤压筒中心的距离不同, 金属流出模孔时的速度有差异而造成型材的扭拧、波浪、弯曲及裂纹等废品, 因此在模具设计时应考虑将金属难以流动型材壁薄的部分靠近模子中心, 而壁厚的部分靠近模子边缘, 如图2。

设计模具的模孔尺寸时我们考虑不同铝合金的性质和模具材料的冷收缩率, 不同的铝合金, 它的收缩率各不相同, 在设计模子时, 也应该根据不同合金来确定模孔的尺寸。

为了对延长模具使用寿命, 定径带的长度也要设计的得当。定径带长度过短, 制品尺寸就不能保证在很稳定的范围, 而且容易产生波纹、椭圆等废品, 同时, 模具在挤压制品时所承受的挤压力相当大, 定径带也容易磨损或被压塌, 会大大降低模具的使用寿命;但也不能过长, 过长会增大与金属的摩擦, 定径带易粘金属, 如果定径带表面光洁度达不到要求, 制品表面出现划伤、毛刺、麻面、波浪等缺陷的几率就会大大增加。

5 提高模具的热处理质量与表面处理

挤压工模具质量的好坏, 使用寿命的长短, 热处理的质量起很大的作用。近年来, 为了不断提高模具的质量、寿命, 广泛采用先进的真空炉加热技术, 其优点是:模具受热均匀, 热处理变形只是常规热处理变形的1/5~1/3, 抑制了表面氧化脱碳程度, 模具表面清洁, 提高了耐磨性和抗疲劳强度。

模具因为在加工过程中会产生加工缺陷, 我们一般通过热处理来消除, 是模具寿命大大增加, 比如在尖角、拐点等处会产生过高应力或裂纹, 必须要经过热处理来保护。

模具要在使用前进行表面氮化处理, 使表面达到足够的硬度、耐磨性、抗黏附性、耐疲劳性及抗腐蚀性等, 而且能减少工模具的模孔磨损而模具的心部仍保持足够的韧性。

6 工作条件与挤压工艺

要按照制定的挤压操作规程来挤压产品;挤压工艺参数, 如挤压力, 挤压温度、挤压速度等要进行优化, 严格控制挤压设备中心。改善恶劣的挤压环境, 以减轻工模具的工作负荷, 若出现质量事故, 应及时分析事故原因和模具失效原因, 采取有效措施提高模具的使用寿命。

7 使用管理

模具的合理使用和及时正确的修理, 以及对模具科学规范的管理也是提高模具使用寿命的必要措施。任何工模具都有管理、使用、维修的合理规定, 一套合理的工模具使用管理规范, 才能保证企业在工模具方面创造效益。

8 结束语

综上所述, 影响挤压模具寿命的因素是多种多样的, 我们在平时的工作中应总结经验, 努力使工模具的消耗降到最低。

参考文献

如何提高热作模具钢的寿命 篇9

一、对热作模具钢, 有以下基本要求

1高强度、高韧性, 一定的耐磨性;2.高红硬性、高的热稳定性;3.高的热疲劳性;4.高的淬透性;4.高的导热性。

二、模具失效的基本形式

1模具断裂与疲劳失效。模具在使用过程中突然出现大裂纹或分离成两部分或几部分, 使模具损坏而不能使用, 属于断裂失效。常见的断裂失效形式有:崩刃、劈裂、折断、脆裂等, 模具的断裂可分为一次性断裂和疲劳断裂两种。

一次性断裂是指模具在工作中突然断裂, 它的主要原因是严重超载或模具严重脆化;疲劳断裂是模具经过较长时间使用而发生的断裂, 与一次性断裂不同的是疲劳断裂的断口可以见到光亮区, 即在断裂面上有一部分经过长期磨合而被磨得光亮的部分。防止措施是:一是降低工作应力, 二是降低模具表面粗糙度和采用模具表面强化工艺, 减少产生微裂纹的机会。

2模具因产生塑性变形失效。模具在使用过程中出现型腔塌陷、型孔胀大、棱角倒塌, 以及凸模镦粗、纵向弯曲而使模具不能使用的情况, 都属于塑性变形失效。

产生塑性变形的根本原因是模具工作时其工作零件的局部内应力超过了材料的屈服强度。高温软化是热作模具钢失效的重要原因, 模具的工作表面与高温坯料接触, 使型腔表面的温度超过模具钢的回火温度, 在如此高的温度下, 其强度仅为室温强度的1/2或1/3, 很容易在外力作用下变形。

3模具因工作零件产生磨损失效。模具表面与被加工坯料相互摩擦, 引起表面损耗, 使其几何形状发生变化而不能继续使用。热作模具的型腔表面由于受热软化, 耐磨性降低。此外, 高温氧化腐蚀作用又会加剧磨损。

4模具因工作零件产生热疲劳失效。在急冷急热的条件下使用的热作模具、使用一段时间后, 型腔表面会产生许多细小的裂纹, 形状不一, 但不会向纵深发展, 严重影响工作零件表面的粗糙度。从而影响模具的寿命。

工业上最常用的模具材料为:

5Cr Ni Mo、5Cr Mn Mo、3Cr2W8V等钢种。

以上失效的形式均可以通过表面强化处理解决, 热作模具钢的表面强化一般为化学热处理, 化学热处理的机理为改变表面的化学成分, 其目的是在机体材料的原有特性的基础上再赋予新的性能从而提高模具寿命的一种方法。

三、钢的化学热处理表面强化

表面强化分为渗碳、渗氮、渗硼和多元共渗

1渗碳。将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入模具工件可以使模具工件表面获得较高的硬度、耐磨性和疲劳强度。生产上所采用的渗碳深度一般在0.5~2.5mm。渗碳层的硬度不低于60HRC。非渗碳层表面及工件心部硬度一般在43~52HRC。热作模具钢渗碳后的寿命为普通淬火寿命的4~6倍。

2渗氮也称氮化, 是在Ac1以下的温度下将活性氮原子渗入到模具工件的表面的化学热处理工艺。渗氮比渗碳可以获得更高的硬度、较好的耐磨性、疲劳强度和抗蚀性。缺点是周期太长, 生产效率低, 成本高。渗氮的特点: (1) 渗氮使模具加工工艺的最后一道工序, 一般渗氮后只进行精磨或研磨, 为了使工件具有良好的力学性能, 在渗氮之前有必要对工件进行调质处理, 以获得良好的回火索氏体组织。 (2) 钢在渗氮后, 不再需要淬火便有良好的表面硬度和耐磨性, 这是由于渗碳层的表面形成了一层坚硬的渗碳物所致。 (3) 渗碳处理温度低, 变形很小, 它与渗碳淬火相比变形小得多。

3碳氮共渗碳氮共渗是在一定的温度下, 同时将碳、氮原子渗入到表层奥氏体中并以渗碳为主的的化学热处理工艺。这种化学热处理具有以下优点: (1) 渗层性能好 (2) 渗入速度快 (3) 工件变形小 (4) 不受钢种的限制。根据共渗介质不同, 碳氮共渗又分为固体、液体和气体三种。

4渗硼渗硼是将金属材料置于含硼的介质中, 经过加热与保温, 使硼元素渗入其表面层, 形成硼化物的过程。具有以下特点: (1) 硬度较高, 耐磨性能好 (2) 红硬性好 (3) 耐蚀性能好 (4) 脆性大。根据渗硼介质的不同分为固体渗硼、液体渗硼、气体渗硼。经过渗硼后的模具寿命可以提高十几倍。

5多元共渗钢的化学热处理不仅可以渗入碳、氮、硼等非金属元素, 还可以渗入铬、铝、锌等金属元素。钢的表面渗入金属元素后, 使钢的表面形成渗入金属的合金, 从而可以提高抗氧化、抗锈蚀的性能, 这种将工件表面渗入两种或两种以上的金属元素的化学热处理工艺称为多元共渗。

根据模具使用的情况不同选择不同的化学热处理工艺, 以达到增加模具寿命的目的。

参考文献

[1].金盾出版社.应用热处理1.金盾出版社.应用热处理