探討提高精密成形模具壽命的方法

李平

【摘 要】 論述精密體積成形（精鍛）模具的壽命與模具設計的關系。采用合理設計精密體積成形件、鍛壓工藝、模具結構，選擇模具材料，可大幅度提高模具壽命。

【關鍵詞】 模具壽命；設計；模具結構；材料

【中圖分類號】 G64.2 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2095-3089（2017）14-00-01

1、引言

提高模具壽命有極大的經濟效益，一般在試生產階段模具工裝費用占生產成本的25%左右，而定型生產時僅為10%。

模具的早期失效形式，多為凸模斷裂、模膛邊緣堆塌、飛邊遭橋部龜裂、模腔底部發生裂紋。影響模具壽命的因素較多，涉及面廣，要提高模具壽命則需進行精心設計。模具設計環節是指模具的結構設計、成形模腔設計和確定模具鋼種及模具硬度等。模具制造環節是指制模工藝、熱處理規范和表面處理技術等。現從模具設計和制造二方面探討提高模具壽命的方法。

2、對精密體積成形件（精鍛件）的設計

模鍛件應避免有小孔、窄槽和夾角，應做到形狀對稱、軸對稱、上和下以有左和右對稱。要設計拔模斜度，避免應力集中和模鍛單位壓力增大，克服偏心受載和模具磨損不均等缺陷。

鍛模模腔邊緣和底部圓角半徑R在設計時應盡量放大鍛件型腔。若圓角半徑過小，模腔邊緣在高溫高壓下易堆塌或形成倒錐，影響模鍛件出模。如底部圓角半徑R過小易產生裂紋并不斷擴大。

利用CAD系統功能對模具進行二維和三維設計，保證產品原始信息的統一性和精確性，提高模具的設計質量。產品三維立體的造型過程因在鍛造前全面反映出產品的外部形狀，發現問題及時解決，用電腦設計出加工模具型腔的電極，做好模具加工的準備工作。

采用CAM技術設計好電極并按指定方式精確生產，采用數銑（或加工中心）加工電極，保證電極的加工精度，減少試模時間，提高生產效率。

采用CAD/CAM技術可對外形復雜、精度要求高的鍛件進行精確的尺寸描述，確定合理的分模面，保證合模精度，從模具制造這一環節確保產品精度。

CAD/CAM/CAE技術可對關鍵部位的尺寸設計提供修改依據，提供高質量鍛件，為設計提供依據。

成形是模鍛過程中重要的工序，模鍛件的幾何形狀是靠鍛模來保證；在模具設計時應采取措施減輕后續工序的加工難度，預防和減少模鍛件開裂與變形，提高鍛件合格率。如鍛件的某些部位在切邊和沖孔時易變形影響產品質量，在設計上適當增加相應變形部位的加工余量予以補償，對薄法蘭鍛件切邊時變形大更為重要；對桿部直徑較小鍛件在切邊和熱處理過程中會產生有規律的幾何變形，而用冷校正方式無法或難以校直。例：某廠生產的TS60曲軸，可根據實踐經驗和統計數據預先將中心線在一定范圍內變形方向反向偏移一定的預補反變形量。

3、對鍛壓工藝的設計

要求工藝人員要具有較高的水平、豐富的實踐經驗，否則一旦失誤就會造成較大損失。對于切邊時存在容易撕裂部分的鍛件，可在飛邊橋部處降低薄弱部分的切割厚度。如S195連桿，材料為45號鋼，鍛后冷切邊，大頭搭子部位由于截面形狀小、料薄，在切邊時經常出現搭子及附近筋部撕裂，廢品率高；而在設計鍛模時減薄此處飛邊橋的高度，減少此處飛邊沖裁力，可以大大減少切邊撕裂。

冷擠壓工藝是軟化毛坯及減少變形時的磨擦力，控制各工序變形程度的合理分配。一般低碳鋼、碳鋼及低碳合金鋼的軟化退火工藝為：加熱至760℃保溫4h，以20℃/h的冷卻速度冷到680℃保溫3h，再以20℃/h的冷卻速度冷卻到640℃后隨爐冷卻到350℃出爐。硬度一般可達125～155HB。含碳量小于0.2%的碳鋼，鋼材經退火后硬度可小于120HB。鋼材經軟化退火后再經滾光、酸洗、磷化、皂化后再涂豬油拌MoS2潤滑，可降低變形負載，有效減少凸模、壓模圈、接頭體的斷裂失效。

采用多工序小變形的冷擠壓方法能有效地降低模具承受的單位擠壓力，工序間坯料可無需軟化處理，延長模具使用壽命。國內某些廠家在擠壓生產時貪圖一時之便，減少擠壓工序，雖然也能把樣品（或產品）做出，但模具負荷太大，容易出現斷裂失效。這種急功近利的做法是我國冷擠壓工藝曾經一轟而起未能迅猛發展的主要技術原因之一。

采用鍛模CAE軟件分析材料的流動情況、磨擦阻力以及材料的充腔溢料情況，幫助設計人員有效合理地進行工藝設計。

沖壓模具工作時要承受沖擊、振動、摩擦、高壓和拉伸、彎扭等負荷，甚至在較高的溫度下工作（如冷擠壓），工作條件復雜，易發生磨損、疲勞、斷裂、變形等現象。因此，模具材料的性能對模具的壽命影響較大，不同材質的模具壽命往往不同，對模具工作零件材料的要求比普通零件也高。

4、對模具結構的設計

模具結構設計可達到導向精度合理、沖裁間隙恰當、剛性好的目的，并采用組合式模具。

模架應做到剛性和強度好，模板不宜太薄，條件容許下盡量增厚，甚至增厚50%。多工位模具的導柱導向不宜采用2根，應采用4根，達到導向性能好；使剛度增加和凸、凹模間隙均勻，確保凸模和凹模避免碰切現象。

浮動模柄可避免壓力機對模具導向精度的不良影響。夾緊凸模，裝配時要檢查凸模或凹模的軸線對水平面的垂直度以及上下底面之間的平行度。

凸模和凹模在冷擠壓時硬度合適，充分發揮強韌化處理對延長壽命的潛力。如W6Mo5Cr4V2鋼冷擠壓凸模，當硬度≥60HRC時可正常使用，壽命為3000～3500件；當硬度為57～58HRC擠壓工件時，凸模的工作帶會鐓粗。某廠發現檢測擠壓第1件以后凸模的工作帶尺寸，鐓粗增大量為0.01～0.04mm。

熱擠凹模與冷擠摸的方法完全不同，當把3Cr2W8V鋼熱擠凹模的硬度值從>40HRC降到37～38HRC時，使用壽命從1000～2000次提高到6000～8000次。

結論：在不同的鍛壓設備上的模鍛對鍛模的硬度要求相同，在相同的鍛壓設備上的模鍛對鍛不同的產品其模具的硬度要求不相同。

在鍛件飛邊切除時，凸模底要盡量與鍛件的上側表面相吻合。如鋼絲鉗模鍛件熱切飛邊時，切飛邊凸模底部的凹形要與鋼絲鉗柄部的弧形相吻合，否則在切飛邊過程中，切飛邊凸模易使鍛件向一側翻轉，使凸模和凹模損壞。一般情況，沖裁間隙放大可以延長切飛邊模壽命。

5、對模具材料的選擇

根據模具的工作條件、生產批量以及材料本身的強韌性能來選擇模具用材，選用品質好的鋼材。據有關資料得知：材料費用僅是模具價格的6%～20%，模具的制造費較高。

對模具材料要進行質量檢測，模塊的化學成份要符合國際上的有關規定，也要符合供貨協議要求；模塊合格方可鍛造。大型模塊（100kg以上）采用電渣重熔鋼H13時要確保內部質量，避免可能出現的成份偏析、雜質超標等內部缺陷。要采用超聲波探傷等無損檢測技術檢查，確保每件鍛件內部質量良好，避免可能出現的冶金缺陷，將廢品及早剔除，提高產品的合格率。

6、結束語

設計雖然只占模具成本的10%左右，但合理的使用方法卻直接影響模具的使用壽命。采用合理設計精密體積成形件（精鍛件）、鍛壓工藝、模具結構，選擇正確的模具材料，可大幅度提高模具壽命。材質好壞、熱處理硬度、模具設計的合理性、模具工藝、加工精度、模具裝配精度、配用設備的精度、工作零件的間隙值是否均勻合理等等，不同種類的模具，影響的因素不同。

參考文獻：

[1]史鐵梁主編.模具設計指導.北京：機械工業出版社；

[2]成虹主編.沖壓工藝與模具設計.北京：高等教育出版社；

[3]趙孟棟主編.冷沖模設計.北京：機械工業出版社；

[4]王秀云、李莉主編.模具材料與使用壽命.北京：機械工業出版社；

[5]章飛主編.型腔模具設計與制造.北京：化學工業出版社。