提高模具使用壽命的方法分析

楊宇哲

摘 要：模具被人們稱為工業(yè)之父，由于現(xiàn)代工業(yè)的自動化程度越來越高，模具的使用范圍也越廣泛，可在我國的較多中小企業(yè)中，其壽命還很低，僅相當(dāng)于國外同行業(yè)的1/3到1/5。模具的壽命低，不但會降低產(chǎn)品質(zhì)量，更會產(chǎn)生浪費(fèi)模具材料、增加加工工時等嚴(yán)重的后果，使產(chǎn)品的成本居高不下并嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。提高模具壽命有極大的經(jīng)濟(jì)效益，一般在試生產(chǎn)階段模具工裝費(fèi)用占生產(chǎn)成本的25%左右，而定型生產(chǎn)時僅為10%。模具壽命與模具設(shè)計(jì)、制造、使用和維修等環(huán)節(jié)有關(guān)。通過分析大量失效模具發(fā)現(xiàn)，在各種因素中，45%與不適當(dāng)?shù)臒崽幚碛嘘P(guān)，不合理的模具結(jié)構(gòu)和選材不當(dāng)大約占25%，潤滑不及時和設(shè)備維護(hù)因素大約占20%，工藝處理不當(dāng)約占10%。

關(guān)鍵詞：模具；使用壽命；研究分析

1 在設(shè)計(jì)模具時需注意的問題

合理的模具設(shè)計(jì)方案是保證其壽命的基礎(chǔ)，這里很多因素需要考慮。制成品的批量、形狀和精度等決定了模具的結(jié)構(gòu)方案，并要注重其使用的經(jīng)濟(jì)性；好的結(jié)構(gòu)方案，不但擁有緊湊的結(jié)構(gòu)和靈活方便的操作，而且能使各零部件有足夠的剛度強(qiáng)度；模具零件各表面的轉(zhuǎn)角應(yīng)盡量成圓角過渡，來消除應(yīng)力集中；可采用組合和鑲拼的方式來消除凹模、型腔及部分凸模、型芯的應(yīng)力集中問題，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀Ｗo(hù)細(xì)長凸模或型芯；長期使用中滑動配合件、頻繁撞擊件的磨損對模具壽命也有很大的影響，減少其磨損應(yīng)在重點(diǎn)考慮之列；在設(shè)計(jì)冷沖模時，應(yīng)設(shè)置避免制件或廢料堵塞的機(jī)構(gòu)。模具可靠的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，對于避免凸模和凹模間的互相啃傷是有幫助的，多工位模具不宜僅用2根導(dǎo)柱導(dǎo)向，應(yīng)盡量做到4根導(dǎo)柱導(dǎo)向，這樣導(dǎo)向性能好，保證了凸、凹模間隙均勻，確保凸模和凹模不會發(fā)生碰切現(xiàn)象。

2 選用模具材料時應(yīng)注意的問題

選擇模具材料的原則依據(jù)加工批量、制造工藝方法和加工對象而制定。易變形、易斷裂的普通模具，應(yīng)選擇高強(qiáng)度、高韌性的碳素工具鋼；對于容易刃口磨損的沖裁模，應(yīng)使用硬度高、較耐磨、加工性能好、熱處理淬火時變形小、淬透性高的材料；沖壓模的主要失效形式是表面疲勞裂紋導(dǎo)致的表層剝落，要使用表面韌性好的鋼材；磨擦系數(shù)特別低的材料比較適合拉深模；熱鍛模需要材料具有較強(qiáng)的韌度、強(qiáng)度、耐磨性和抗冷熱疲勞的能力，合金工具鋼比較合適；受到循環(huán)熱應(yīng)力作用的壓鑄模，應(yīng)選擇耐熱疲勞、高溫環(huán)境強(qiáng)度高的熱作模具鋼；塑料模具要使用易切削加工、組織結(jié)構(gòu)密實(shí)、表面拋光性好的材料；設(shè)計(jì)凸模和凹模時，應(yīng)考慮硬度不同或材料不同的模具的搭配，以延長其各自壽命。此外，選用的模具材料應(yīng)與成品件具有較弱的親和力，以防止制件與模具粘合，磨損模具的零件，縮短模具的使用壽命。

3 在制造模具的過程中需要解決的問題

模具制造環(huán)節(jié)是指制模工藝、熱處理規(guī)范和表面處理技術(shù)等。為了確保模具的壽命也應(yīng)把制造模具的過程提到十分重要位置，這里影響其使用壽命的因素主要是加工方法和精度。

3.1 合理制定模具鋼的鍛造規(guī)范

模具材料多為高碳、高合金鋼，不同程度地存在成分偏析、組織偏析、碳化物偏析等缺陷，不能直接用于制模。同時，所用原材料的形狀及尺寸很難與模塊相符，鍛造是獲得所需內(nèi)部組織和使用性能以及減少機(jī)械加工量必不可少的手段。通過鍛造能有效改善工具鋼的碳化物偏析，一般鍛造后可降低碳化物偏析2級，最多為3級。

模具鋼一般導(dǎo)熱性較差，加熱速度必須緩慢均勻，大的鍛件一般采用預(yù)加熱或以階梯加熱方式控制加熱速度，鋼件在爐膛內(nèi)的位置要適當(dāng)，有時還要反復(fù)翻轉(zhuǎn)，以使受熱盡量均勻。為最大限度地打碎和均勻碳化物，需采取墩粗加拔長且反復(fù)多次的變形工藝，最后像揉面團(tuán)一樣，上下、前后、左右翻動，使其內(nèi)部變形充分且均勻。坯料鍛后均應(yīng)緩慢冷卻，隨爐緩慢冷卻或在熱灰箱中冷卻。但對于Cr12等萊氏體鋼，鍛后若采用緩慢冷卻，易在晶界上析出網(wǎng)狀碳化物，從而影響毛壞質(zhì)量，故一般應(yīng)先快冷至700℃左右，然后進(jìn)行坑冷或入爐緩冷。鍛件應(yīng)盡量減少鍛造火次，以控制坯料的氧化與脫碳。

3.2 選用合理的模具熱處理工藝

提高模具性能的方法有很多，采用熱處理新技術(shù)是成本適宜而又很有效的途徑。模具熱處理工藝主要包括基體強(qiáng)韌化和表面強(qiáng)化處理；基體的強(qiáng)韌化是為了增強(qiáng)基體的韌度和強(qiáng)度，降低斷裂和變形的出現(xiàn)。表面強(qiáng)化主要是為了增加表面的耐磨、耐腐蝕性和潤滑性能。

3.2.1 模具的整體強(qiáng)韌化工藝

材料失效的主要原因是應(yīng)力集中和疲勞斷裂。為了增加普通冷作模具鋼的韌性，降低脆性和折斷，可使用低溫淬火與低溫回火的工藝；高溫淬火與高溫回火工藝能顯著地增強(qiáng)熱作模具鋼的強(qiáng)韌性和熱穩(wěn)定性。模具型腔大而壁薄時需要采用正常淬火溫度的上限，以使殘留奧氏體量增加，使模具不致脹大。快速加熱法由于加熱時間短，氧化脫碳傾向減少，晶粒細(xì)小，對碳素工具鋼大型模具淬火變形小。對高速鋼采用低淬、高回工藝比較好，淬火溫度低，回火溫度偏高，可大大提高韌性，盡管硬度有所降低，但可提高模具抗折斷和抗疲勞破壞的能力。為了減少殘留應(yīng)力，模具淬火后應(yīng)趁熱進(jìn)行回火，回火的作用是使才材料因?yàn)樵诙虝r間里面淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力慢慢釋放掉，回火應(yīng)充分，回火不充分易產(chǎn)生磨前裂紋。

3.2.2 模具的表面強(qiáng)化熱處理工藝

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，磨損、粘結(jié)均發(fā)生在模具的表面，常見的疲勞、斷裂也往往從表面開始。為了更好地提高模具壽命，需要增強(qiáng)零件表面的耐磨性，對主要成形零部件采用表面強(qiáng)化處理是最直接的途徑。模具表面強(qiáng)化工藝主要有氣體氮化、離子氮化、電火花表面強(qiáng)化、滲硼、熱擴(kuò)散碳化物覆層、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、激光表面強(qiáng)化、離子注入、等離子噴涂法等。在實(shí)際生產(chǎn)中，要根據(jù)模具的不同用途來采取不同的表面強(qiáng)化工藝。舉例說明之，為了增強(qiáng)沖裁模表層的耐磨性和抗壓強(qiáng)度，可采取電火花、硬質(zhì)合金堆焊等強(qiáng)化方法；對于熱加工模具（壓鑄模、塑料模）的表面可使用滲氮方法處理，以達(dá)到增強(qiáng)其耐磨、耐熱疲勞和耐腐蝕性的目的；拉深模、彎曲模主要是生產(chǎn)中摩擦造成的磨損，為了增強(qiáng)材料的耐磨性可用滲硫工藝來降低摩擦系數(shù)；碳氮共滲適合各類模具的表面強(qiáng)化。表面覆層硬化技術(shù)中的PVD、CVD近年來獲得較大的進(jìn)展，在PVD中常用的有真空蒸鍍、真空濺射鍍和離子鍍，其中離子鍍層具有附著力強(qiáng)、沉積速度快、無公害等優(yōu)點(diǎn)。離子鍍工藝可在模具表面鍍上tic、TIN，其使用壽命可延長幾倍到幾十倍。

3.2.3 在模具的機(jī)械加工過程中應(yīng)注意的工藝問題

機(jī)加工藝直接影響著模具的使用壽命和產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)：如能讓模具的型腔表面粗糙度改進(jìn)一倍，就能讓其使用壽命增加50%，而實(shí)現(xiàn)的前提是能保證正確的加工工藝。制造工藝首先要解決加工后的加工變形與殘留應(yīng)力不能太大的問題。粗加工時最好不要使表面粗糙度Ra大于3.2μm，特別應(yīng)注意在模具工作部分轉(zhuǎn)角處要光滑過渡，減少熱處理產(chǎn)生的熱應(yīng)力。在精加工時走刀量要小，不允許出現(xiàn)刀痕。對于精密模具的精密磨削要注意環(huán)境溫度的影響，要求恒溫磨削。鍛模模腔的粗糙度直接影響鍛模壽命，由于粗糙度值高會使金屬流動阻力增加，使鍛件不易脫模。工作表面粗糙度值低的模具不但摩擦阻力小，而且抗咬合和抗疲勞能力強(qiáng)。