熱鍛模型腔注水冷卻循環對模具壽命的影響

文/高陽軍·寶雞法士特齒輪有限責任公司

熱鍛模型腔注水冷卻循環對模具壽命的影響

文/高陽軍·寶雞法士特齒輪有限責任公司

高陽軍，鍛造工藝技術員，主要從事鍛造模具工裝設計、工藝制定，在齒輪類、軸類、法蘭類等閉式鍛造方面及自動化高速鍛造生產線產品開發方面有豐富的生產經驗。

選用鍛造設備為1000t的高性能螺旋壓力機，生產某個鍛件品種，對比采用常規方式和采用我公司自主設計的熱鍛模型腔注水冷卻循環裝置時模具壽命的情況。結果表明，同一種模具在型腔注水冷卻循環模式下的使用壽命是常規模式下使用壽命的3～4.5倍。

模具在鍛造生產中直接影響鍛件的精度及質量，由于在服役過程中受到的作用力很復雜，需要在高溫、高應力狀態下連續工作，所以熱鍛模的壽命普遍比較低，保證模具的完好非常重要。

模具壽命是指一套新模具從安裝、生產直到失效所生產的鍛件數量。模具壽命是模具材料、設計和制造水平（含模具熱處理和表面強化處理）及使用、維護水平的綜合反映。我國熱鍛模具的使用壽命僅相當于國外工業先進國家模具壽命的1/3，因此，我國模具制造費用占鍛件成本高達30%以上。國內大多數鍛造企業模鍛錘的模具壽命為0.3～0.5萬件，摩擦螺旋壓力機的模具壽命約為0.2～0.3萬件，一般僅有0.2萬件左右，機械壓力機模具壽命約為0.5～0.8萬件，螺旋壓力機模具壽命比機械壓力機稍低。

由于鍛模型腔與高溫坯料直接接觸，使鍛模溫度不斷升高，局部地方甚至超過了鍛模材料的回火溫度，導致鍛模抗摩擦能力和強度降低，產生塑性變形，導致模具失效，因此需要冷卻模具，保證模具有一定的強度和硬度。

試驗過程及結果

本次試驗選用鍛造設備為1000t高能螺旋壓力機；模座設計為兩工位鐓粗＋鍛造；模具材料選擇H13；坯料材料選擇8620H；坯料加熱溫度為1200℃。常規生產模式為：鐓粗→鍛造（脫模劑潤滑冷卻+高壓空氣冷卻），模具的使用壽命為0.3～0.4萬件，生產過程如圖1到圖4所示的循環。

圖1 (第一步)準備鐓粗

圖2 (第二步)鐓粗

圖3 (第三步)準備鍛造

圖4 (第四步)鍛造

我公司技術人員通過改進和研發，選用鍛造設備為1000t的高性能螺旋壓力機，測試生產某個鍛件品種，采用我公司自主設計的熱鍛模型腔注水冷卻循環裝置時，模具壽命的情況、試驗裝置及過程如圖5到圖8所示的循環，運用此方法，我們得到的試驗結果為模具壽命提高到1.3～1.4萬件，模具壽命顯著提高，模具生產制造成本在鍛件生產成本中的占比明顯降低。

圖5 （第一步）準備鐓粗

圖6 （第二步）鐓粗

圖7 (第三步)準備鍛造

圖8 (第四步)鍛造

與常規模式對比分析

結果表明，同一種模具在型腔注水冷卻循環模式下的使用壽命是常規模式下使用壽命的3～4.5倍，結合試驗效果可以得出以下結論。

⑴常規模式模具工作溫度在400～500℃之間，而熱鍛模型腔注水冷卻循環模式模具工作溫度在50～100℃之間，此時模具在近恒溫的環境下工作，其綜合力學性能相對穩定。

⑵熱鍛模型腔由于和高溫坯料接觸，溫度差高達500～650℃，在這個溫度條件下，模腔材料表面成分極易發生改變，局部表面合金元素降低，使很多熱作模具鋼的硬度和變形抗力急劇下降，導致型腔表面回火軟化，使模具硬度和耐磨性急劇降低。更嚴重的是，這時候的屈服強度降低，使熱應力的峰值更容易達到屈服強度，導致型腔產生熱疲勞裂紋，進而產生打塌、磨損、鐓粗等變形。

⑶在型腔注水冷卻循環模式下的模具在近恒溫（50～100℃）的條件下工作，模具自身熱脹量小，有利于鍛件充滿成形，即使模具型腔有一定磨損亦可使得坯料充滿型腔。

⑷常規模式下的模具在實際生產過程中，除了模具自身出現明顯打塌、磨損、鐓粗變形等情況導致自身報廢外，還有一個原因是因為一錘打靠但是鍛件充不滿，結合生產質量及生產效率必須將舊模具報廢，多方面因素造成模具提前報廢，額外增加了生產成本。

結束語

此次試驗通過改進冷卻方式，使模具得到充分潤滑和冷卻，從而減小模具表層溫度升高和熱擴散層深度，提高模具使用壽命。

試驗結果證實同一種模具在型腔注水冷卻循環模式下的使用壽命是常規模式下使用壽命的3～4.5倍，模具壽命延長效果明顯。此方法與對模具型腔進行耐高溫、耐磨損材料涂層處理等方法相比較簡單許多。在實際生產中，提高模具壽命是一個系統復雜的綜合工程，筆者只是一名普通鍛造工藝技術人員，能力有限，文章中的不足之處，還希望與大家交流探討，還望模具冷卻方面的專家提出寶貴指導意見。