提高模具寿命应用技术实例

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出版社:机械工业出版社
出版日期:2004-1
ISBN:9787111145776
作者:王德文 编
页数:547页

内容概要

王德文,1957年毕业于上海交通大学金属热处理专业,曾在机械工业部机械科学研究院和北京机电所任技术员、工程师、高级工程师、教授级高工、研究室主任、多年兼任《金属热处理》副主编,《国外金属热处理》编委会主任委员,中国热处理行业协会常务秘书长,国际热处理展

作者简介

本书以实用技术米,兼有一定的理论分析,旨在助于解决生产实际中技术问题,全收内容共12章,包括热压、冷挤压、塑料成形用模具材料及其热处理技术的发展和应用,表面改性技术及真空热处理技术的发展和应用,润滑剂,成形工艺及设计结构合理论,全理选用模具材料,采用强韧化技术及工艺,采用表现改性技术,改进制造工艺,提高模具使用性能,选用合适的润滑剂,改进模具的使用和维护条件,采用综合技术措施等实用技术,本书是综合了作者们的科成果及现场实践经验和国内外实用先进技术的参考书,对提高模具性能和使用寿命及经济效益会有很大帮助。
本书适用于模具企业中的技术人员和技术工人查阅应用,也可供院校模具专业的师生及科研单位的模具科研工作者能参考。

书籍目录

第一篇  模具材料热处理、表面改性与润滑剂 第一章 模具材料及热处理  1.1 模具材料及热处理技术的发展与应用  1.2 冷挤压模具材料及热处理  1.3 热压模具材料及热处理  1.4 塑料模具材料及热处理  1.5 模具真空处理技术        1.6 常用及新型模具材料  1.7 美国模具用钢系列 第二章 表面改性强化处理  2.1 盐浴渗钒  2.2 盐浴渗泥  2.3 离子渗氮  2.4 硼氮复合渗  2.5 离子硫碳氮复合处理  2.6 激光表现强化处理  2.7 PCVD法处理 第三章 润滑剂第二篇 模具使用性能和寿命的提高 第四章 成形工艺及模具设计结构合理化  4.1 采用合理的冷挤压成形工艺  4.2 采用组合结构冷挤压凹模  4.3 采用组合结构的正挤压冲头  4.4 采用镶套构的热切边模  4.5 采用组合结构的螺栓冷镦凹模  4.6 采用预应力套的冷挤压凹模  4.7 采用组合模的螺栓冷镦凹模  4.8 采用六瓣结构的冷镦螺母六角模  4.9 采用组合结构的冷镦硬质合金冷镦凹模  4.10 采用组合结构的冷镦滚子凹模…… 第五章 合理选用模具材料 第六章 采用强韧化处理技术及工艺 第七章 采用表面性强化处理技术 第八章 改进制造工艺提高模具使用性能 第九章 选用合造的润滑剂 第十章 改进模具的使用维护条件 第十一章 采用综合的技术措施 第十二章 国内外模具技术与寿命对比参考文献

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  •     编者按: 随着模具工业的不断发展,模具的应用越来越广泛。目前国内大多数模具企业,模具的使用寿命还比较低,而且缺乏对模具寿命管理的理论认识和指导依据,这不仅会影响模具冲压生产的产品质量,而且会造成模具材料、加工工时等成本的巨大浪费,增加产品的成本并降低生产效率,严重影响模具企业产品市场的竞争力。 摘要: 本文从模具寿命的概念入手,说明了模具的失效形式及原理,通过对影响模具寿命的各方面因素进行分析,提供了模具寿命管理的有效方法和可靠数据。关键词: 模具寿命 模具使用寿命 模具失效 模具维修 寿命管理一、模具寿命的概念原理模具寿命是指在保证制件品质的前提下,模具所能达到的生产次数(冲压次数、成型次数)。它包括反复刃磨和更换易损件,直至模具的主要部分更换所成形的合格制件总数。模具使用寿命:模具已经生产的次数。模具的失效分为非正常失效和正常失效。非正常失效(早期失效)是指模具未达到一定的工业水平下公认的寿命时就不能工作。早期失效的形式有塑性变形、断裂、局部严重磨损等。正常失效是指模具经大批量生产使用,因缓慢塑性变形或较均匀地磨损或疲劳断裂而不能继续工作。 1.模具正常寿命 模具正常失效前,生产出的合格产品的数目,叫模具正常寿命,简称模具寿命,模具首次修复前生产出的合格产品的数目,叫首次寿命;模具一次修复后到下一次修复前所生产出的合格产品的数目,叫修模寿命。模具寿命是首次寿命与各次修复寿命的总和。2.模具失效形式及原理模具种类繁多,工作状态差别很大,损坏部位也各异,但失效形式归纳起来大致有三种,即磨损、断裂、塑性变形。①.磨损失效模具在工作时,与成形坯料接触,产生相对运动。由于表面的相对运动,接触表面逐渐失去物质的现象叫磨损。磨损失效可分以下几种:a. 疲劳磨损两接触表面相对运动时,在循环应力(机械应力与热应力)的作用下,使表面金属疲劳脱落的现象称为疲劳磨损。b. 气蚀磨损和冲蚀磨损金属表面的气泡破裂,产生瞬间的冲击和高温,使模具表面形成微小麻点和凹坑的现象叫气蚀磨损。液体和固体微小颗粒反复高速冲击模具表面,使模具表面局部材料流失,形成麻点和凹坑的现象叫冲蚀磨损。c. 磨蚀磨损在摩擦过程中,模具表面和周围介质发生化学或电化学反应,再加上摩擦力的机械作用,引起表面材料脱落的现象叫磨蚀磨损。在模具与工件(或坯料)相对运动中,磨损往往是以多种形式并存,并相互影响。②.断裂失效模具出现大裂纹或分离为两部分和数部分丧失工作能力时,成为断裂失效。断裂可分为塑性断裂和脆性断裂。模具材料多为中、高强度钢,断裂的形式多为脆性断裂。脆性断裂又可分为一次性断裂和疲劳断裂。③.塑性变形失效模具在工作时承受很大的应力,而且不均匀。当模具的某个部位的应力超过了当时温度下模具材料的屈服极限时,就会以晶格滑移、孪晶、晶界滑移等方式产生塑性变形,改变了几何形状或尺寸,而且不能修复再工作时,叫塑性变形失效。塑性变形的失效形式表现为镦粗、弯曲、形腔胀大、塌陷等。模具的塑性变形是模具金属材料的屈服过程。是否产生塑性变形,起主导作用的是机械负荷以及模具的室温强度。在高温下工作的模具,是否产生塑性变形,主要取决于模具的工作温度和模具材料的高温强度。二、影响冲压模具寿命的主要因素研究表明:模具的使用寿命与模具结构设计、模具钢材选用、热处理、表面处理、机械加工研磨、线切割工艺,冲压设备、冲压材料及工艺,模具润滑、保养维修水平差等诸多因素有关。其中引起模具失效的各种因素中,模具结构不合理、选材不当约占25%,热处理不当约占45%,工艺问题约占10%;设备问题、滑润问题等因素约占20%。1.合理的模具结构设计 模具结构对模具受力状态的影响很大,合理的模具结构能使模具工作时受力均匀,不易偏载,应力集中小。模具设计的原则是保证足够的强度、刚度、同心度、对中性和合理的冲裁间隙,并减少应力集中,以保证由模具生产出来零件符合设计要求。因此对模具的主要工作零作(如冲模的凸、凹模等)要求其导向精度高、同心度和中性好及冲裁的间隙合理。在进行模具设计时,应着重考虑的是: ①.设计凸模时必须注意导向支撑和对中保护。特别是设计小孔凸模时采用导向装置结构,能保证模具零件相互位置的精度,增加模具抗弯曲、抗偏载的能力,避免模具不均匀磨损,从而延长模具寿命。 ②. 对小孔、夹角、窄槽等薄弱部位进行补强,为了减少应力集中,要以圆弧过渡,圆弧半径R可取3~5mm。 ③. 整体模具的凹圆角半径很易造成应力集中,并引起开裂,对于结构复杂的凹模采用镶拼结构,减少应力集中。④. 冲模的凸、凹模圆角半径R不仅对冲压件成形有较大的影响,而且对于模具的磨损及寿命也影响很大。设计时应从保证成型零件充分接触的前提下尽可能放大,避免产生倒锥,影响冲件脱料出模,如圆角半径R过小且没有光滑过渡,则容易产生裂纹。⑤.合理增大间隙,改善凸模工作部分的受力状态,使冲裁力、卸件力和推件力下降,凸、凹模刃口磨损减少。一般情况下,冲裁间隙放大可以延长切飞边模寿命。⑥.模架应有良好的刚性,不要仅仅满足强度要求,模座厚度不宜太薄,至少应设计到45mm以上。浮动模柄可避免冲床对模具导向精度的不良影响。凸模应紧固牢靠,装配时要检查凸模或凹模的轴线对水平面的垂直度以及上下底面之间的平行度。 ⑦.模具的导向机构精度。准确和可靠的导向,对于减少模具工作零件的磨损,避免凸、凹模啃伤影响极大,尤其是无间隙和小间隙冲裁模、复合模和连续模则更为有效。为提高模具寿命,必须根据工序性质和零件精度等要求,正确选择导向形式和确定导向机构的精度。一般情况下,导向机构的精度应高于凸、凹模配合精度。连续模具应设计4根导柱导向,这样导向性能好。因为增加了刚度,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。⑧.排样方式与搭边值大小对模具寿命的影响很大,过小的搭边值,往往是造成模具急剧磨损和凸、凹模啃伤的主要原因。从节约材料出发,搭边值愈小愈好,但搭边值小于一定数值后,对模具寿命和剪切表面质量不利。在冲裁中有可能被拉入模具间隙中,使零件产生毛刺,甚至损坏模具刃口,降低模具寿命。因此在考虑提高材料利用率的同时,必须根据零件产量、质量和寿命,确定排样方法和搭边值。2.合理选择模具材料冲压模具工作时要承受冲击、振动、摩擦、高压和拉伸、弯扭等负荷,甚至在较高的温度下工作(如冷挤压),工作条件复杂,易发生磨损、疲劳、断裂、变形等现象。因此,模具材料的性能对模具的寿命影响较大,不同材质的模具寿命往往不同,对模具工作零件材料的要求比普通零件也高。①.根据模具的工作条件、生产批量以及材料本身的强韧性能来选择模具用材,应尽可能选用品质好的钢材。a.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。b.材料的工艺性能良好,具有可锻性、淬硬性、淬透性、淬火裂纹敏感性和磨削加工性、热稳定性和耐热疲劳性等。通常根据冲压件的材料特性、生产批量、精度要求等,选择性能优良的模具材料,同时兼顾其工艺性和经济性。在大批量生产选用模具材料时,应选用长寿命的模具材料,如硬质合金,高强韧、高耐磨模具钢(如SKD11,SLD,DC53等);对小批量或新产品试制可采用国产的45#、Cr12等模具材料;对于易变形、易断裂失效的通用模具,需要选用高强度、高韧性的材料DF-2;热冲模则要选用具有良好的韧性、强度、耐磨性和抗冷热疲劳性能的材料( 如DAC)。②.对模具材料要进行质量检测,模板要符合供货协议要求,模板的化学成份要符合国际上的有关规定。只有在确信模具材料合格的情况下,才能使用。③.模具钢材生产厂家采用电渣重熔钢H13时要确保内部质量,避免可能出现的成份偏析、杂质超标等内部缺陷,要采用超声波探伤等无损检测技术检查,确保钢材内部质量良好,避免可能出现的冶金缺陷,将废品及早剔除。根据碳化物偏析对模具寿命的影响,必须限制碳化物的不均匀度,对精密模具和负荷大的细长凸模,必须选用韧性好强度高的模具钢,碳化物不均匀度应控制为不大于3级。Cr12钢碳化物不均匀度3级要比5级耐用度提高1倍以上。如果碳化物偏析严重,可能引起过热、过烧、开裂、崩刃、塌陷、拉断等早期失效现象。而对于直径小于或等于50mm的高合金钢,其碳化物不均匀性一般在4级以内,可满足一般模具使用要求。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。3.合理选择热处理工艺热处理不当是导致模具早期失效的重要原因,从模具失效分析得知,45%的模具失效是由于热处理不当造成的。模具热处理包括钢材锻造后的退火,粗加工以后高温回火或低温回火,精加工后的淬火与回火,电火花、线切割以后的去应力低温回火。只有冷热加工很好相互配合,才能保证良好的模具寿命。 ①.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。②.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,但对提高因折断或疲劳破坏的模具寿命极为有效。通常Cr12MoV钢淬火加热温度为1000℃,油冷,然后220℃回火。如能在这种热处理以前先行热处理一次,即加热至1100℃保温,油冷,700℃高温回火,则模具寿命能大幅度提高。③.采用低温氮碳共渗工艺,表面硬度可达1200HV,也能大大提高模具寿命。 低温电解渗硫可降低金属变形时的摩擦力,提高抗咬粘性能。使用6W6Mo5Cr4V钢制作冷挤压凸模,经低温氮碳共渗后,使用寿命平均提高1倍以上,再经低温电解渗硫处理可以进一步提高寿命50%。④.模具淬火后存在很大的残留应力,它往往引起模具变形甚至开裂。为了减少残留应力,模具淬火后应趁热进行回火,回火应充分,回火不充分易产生磨前裂纹。对碳素工具钢,200℃回火1h,残留应力能消除约50%,回火2h残留应力能消除约75%~80%,而如果500~600℃回火1h,则残留应力能消除达90%。⑤.回火后一般为空冷,在回火冷却过程中,材料内部可能会出现新的拉应力,应缓冷到100~120℃以后再出炉,或在高温回火后再加一次低温回火。4. 合理的模具表面强化工艺模具表面强化的主要目的的是提高模具表面的耐磨性、耐蚀性和润滑性能。表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、点火花表面强化法、渗硼、TD法、CVD法、PVD法、激光表面强化法、离子注入法、等离子喷涂法等。 ①. 气体软氮化:使氮在氮化温度分解后产生活性氮原子,被金属表面吸收渗入钢中并且不断自表面向内扩散,形成氮化层。模具经氮化处理后,表面硬度可达HV950~1200,使模具具有很高的红硬度和高的疲劳强度,并提高模具表面光洁的度和抗咬合能力。 ②. 离子氮化:将待处理的模具放在真空容器中,充以一定压力的含氮气体(如氮或氮、氢混合气),然后以被处理模具作阴极,以真空容器的罩壁作阳极,在阴阳极之间加400~600伏的直流电压,阴阳极间便产生辉光放电,容器里的气体被电离,在空间产生大量的电子与离子。在电场的作用下,正离子冲向阴极,以很高速度轰击模具表面,将模具加热。离能正离子冲入模具表面,获得电子,变成氮原子被模具表面吸收,并向内扩散形成氮化层。应用离子氮化法可提高模具的耐磨性和疲劳强度。 ③. 点火化表面强化:这是一种直接利用电能的高能量密度对模具表面进行强化处理的工艺。它是通过火花放电的作用,把作为电极的导电材料溶渗进金属工件表层,从而形成合金化的表面强化层,使工作表面的物理、化学性能和机械性能得到改善。例如采用WC、TiC等硬质合金电极材料强化高速钢或合金工具钢表面,可形成显微硬度HV1100以上的耐磨、耐蚀和具有红硬性的强化层,使模具的使用寿命明显得到提高。点火花表面强化的优点是设备简单、操作方便,处理后的模具耐磨性提高显著;缺点是强化表面较粗糙,强化层厚度较薄,强化处理的效率低。 ④. 渗硼:由于渗硼层具有良好的红硬性、耐磨性,通过渗硼能显著提高模具表面硬度(达到HV1300~2000)和耐磨性,可广泛用于模具表面强化,尤其适用于处理在磨粒磨损条件下的模具。但渗硼层往往存着较大的脆性,这也限制了它的应用。 ⑤. TD热处理:在空气炉或盐槽中放入一个耐热钢制的坩埚,将硼砂放入坩埚加热熔化至800℃~1200℃,然后加入相应的碳化物形成粉末(如钛、钡、铌、铬),再将钢或硬质合金工件放入坩埚中浸渍保温1~2小时,加入元素将扩散至工件表面并与钢中的碳发生反应形成碳化物层,所得到的碳化物层具有很高的硬度和耐磨性。 ⑥. CVD法(化学气相沉积):将模具放在氢气(或其它保护气体)中加热至900℃~1200℃后,以其为载气,把低温气化挥发金属的化合物气体如四氯化钛(TiCI4)和甲苯CH4(或其它碳氢化合物)蒸气带入炉中,使TiCI4中的钛和碳氢化合物中的碳(以及钢表面的碳分)在模具表面进行化学反应,从而生成一层所需金属化合物涂层(如碳化钛)。⑦ PVD法(物理体相沉积):在真空室中使强化用的金属原子蒸发,或通过荷能粒子的轰击,在一个电流偏压的作用下,将其吸引并沉积到工件表面形成化层。利用PVD法可在工件表面沉积碳化钛、氮化钛、氧化铝等多种化合物。 ⑧. 激光表面强化:当具有一定功率的激光束以一定的扫描速度照射到经过黑化处理的模具工作表面时,将使模具工作表面在很短时间内由于吸收激光的能量而急剧升温。当激光束移开时,模具工作表面由基材自身传导而迅速冷却,从而形成具有一定性能的表面强化层,其硬度可提高15~20%,此外还具有淬火组子细小、耐磨性高、节能效果显著以及可改善工作条件等优点。 ⑨. 离子注入:利用小型低能离子加速器,将需要注入元素的原子,在加热器的离子源中电离成离子,然后通过离子加热器的高电压电场将其加热,成为高速离子流,再经过磁分析器提炼后,将离子束强行打入模具工作表面,从而改变模具表面的显微硬度和粗糙度,降低表面摩擦系数,最终提高工作的使用寿命。 5. 消除线切割产生的应力线切割机加工前,原材料内部因为淬火呈拉应力状态,线切割时产生的热应力也是拉应力,两种应力叠加的结果很容易达到材料的强度极限而产生微裂纹,从而大大缩短冲压模具寿命,因此要提高冲压模具的寿命,需要消除线切割产生的应力。①研磨去掉白层 通常模具线切割后,经过研磨去掉表面硬度低的灰白层后便可进行装配使用。但这样做没有改变线切割造成的应力区的应力状态,即使增大线切割后的研磨余量,但因高硬层硬度高(达70HRC) ,研磨困难,过大的研磨量容易破坏零件几何形状。②.回火处理 在线切割后,研磨去零件表面的白层,再在160℃~180℃回火2h ,则白层下面的高硬层可降低5HRC~6HRC,线切割产生的热应力亦有所下降,从而提高了冲模的韧性,延长了使用寿命。但是由于回火时间短,热应力消除不彻底,冲模寿命并不十分理想。③.磨削加工 线切割后磨削加工,可去掉低硬度的白层和高硬层,提高冲模寿命。因为磨削时产生的热应力也是拉应力,与线切割产生的热应力叠加,无疑也会加剧冲模损坏。若在磨削后,再进行低温时效处理,则可消除应力影响,显著提高冲模韧性,使冲模寿命提高。因为几何形状复杂的冲模大多数是采用线切割加工,所以磨削形状复杂的冲模必须采用价格昂贵的坐标磨床和光学曲线磨床,而这两种设备一般厂家都不具备,故推广困难。④.喷丸处理后再低温回火 喷丸处理可使线切割切口的残余奥氏体转变为马氏体,提高冲模的强度和硬度,使表面层应力状态发生变化,拉应力降低,甚至变为压应力状态,使裂纹萌生和扩展困难,再结合低温回火,消除淬火层内拉应力,可使冲模寿命提高10~20倍。喷丸处理受设备条件和冲模零件形状(内表面) 限制,难以普遍应用。⑤.研磨后再低温时效处理 线切割表面经研磨后,高硬层已基本去掉,再进行120℃~150℃×5~10h低温时效处理(亦称低温回火处理) ,亦可经过160℃~180℃×4~6h 低温回火处理。这样可消除淬火层内部拉应力,而硬度降低甚微(后者硬度降低稍大),却大大提高了韧性,降低了脆性,冲模寿命可提高2倍以上。这一方法简便易行,效果十分明显,易于推广。消除线切割加工产生的应力,提高韧性,最佳方法是喷丸+ 低温回火,其次是磨削后+ 研磨+ 低温回火,再次是研磨+ 低温时效处理,各单位可根据自己的具体情况选择。某单位曾用材料为Cr12MoV的冲模,线切割后分别做如下试验,其寿命差异非常大。a.直接用于冲裁,刃磨寿命10742次。b.160℃回火2h,刃磨寿命11180次。c.研磨去白层,刃磨寿命仅4860次。d.研磨去白层,160℃×2h回火,刃磨寿命为7450次。e.磨削,刃磨寿命28743次。f.喷丸后经160℃×2h回火, 刃磨寿命达到220000次。6.合理的机械加工工艺和良好的加工精度 机械加工工艺要能消除加工后的加工变形与残留应力,尽量采用磨削、研磨和抛光等精加工和精细加工,获得较小的表面粗糙度值,提高模具使用寿命。①.粗加工时表面粗糙度Ra<3.2μm,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。 ②.模具表面加工时留下的刀痕、磨痕都是应力集中的部位,也是早期裂纹和疲劳裂纹源,因此在冲模加工时一定要刃磨好刀具。平面刀具两端一定要刃磨好圆角R,圆弧刀具刃磨时要用R规测量,绝不允许出现尖点。③.在精加工时走刀量要小,不允许出现刀痕。对于复杂零件要留一定的打磨余量,即使加工后没有刀痕,也要再由模具钳工用风动砂轮打磨抛光,但要注意防止打磨时局部出现过热、烧伤表面和降低表面硬度。④.模具电加工表面有硬化层,厚10μm左右,硬化层脆而有残留应力,直接使用往往引起早期开裂,这种硬化层在对其进行180℃左右的低温回火时可消除其残留应力。磨削时若磨削热过大会引起肉眼看不见的与磨削方向垂直的微小裂纹,在拉应力作用下,裂纹会扩展。对Cr12MoV钢冷冲压凹模采用干磨,磨削深度为0.04~0.05mm时,使用中100%开裂;采用湿磨,磨削深度0.005~0.01mm时,使用性能良好。消除磨削应力也可将模具在260~315℃的盐浴中浸1.5min,然后在30℃油中冷却,这样硬度可下降1HRC,残留应力降低40%~65%。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。⑤.冲模粗加工时要为精加工保留合理的加工余量,因为所留的余量过小,可能因热处理变形造成余量不够,必须对新制冲模进行补焊,若留的余量过大,则增加了淬火后的加工难度。⑥.冲模滑块或浮块的平行度超过要求时,会使冲模锁扣啃坏或打裂,重者会打断顶杆甚至损坏模具,所以在冲模加工中除对模腔尺寸按图纸要求加工外,对其它各部分外形尺寸、位置度、平行度、垂直度都要按要求加工并严格检验。⑦.冲模模腔的粗糙度直接影响冲模寿命,粗糙度高会使冲件不易脱模,特别是中间带凸起部位,冲件越深,脱料越困难,最后只能卸下冲模用机加工或气割的方法破坏冲件。由于粗糙度值高会使金属流动阻力增加,严重时会将模壁磨损成沟槽,既影响冲件成形,也易使冲模早期失效。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,表面粗糙度一般要求Ra=0.4~0.8μm。⑧.模具的制造装配精度对模具寿命的影响也很大,装配精度高,底面平直,平行度好,凸模与凹模垂直度高,间隙均匀,亦可获得相当高的寿命。7.冲压原材料的选用①冲压件的材料有金属和非金属。一般来讲,非金属材料的强度低,所需的成形力小,模具受力小,模具寿命高。因此,金属件成形模比非金属成形模的寿命低。②.实际生产中,由于冲压原材料厚度公差超差、材料性能波动、表面质量较差(如锈迹)或不干净(如油污)等,会造成模具工作零件磨损加剧、易崩刃等不良后果。为此,应当注意:a.尽可能采用冲压工艺性好的原材料,以减少冲压变形力;b.冲压前应严格检查原材料的牌号、厚度及表面质量等,并将原材料擦拭干净,必要时应清除表面氧化物和锈迹;③根据冲压工序和原材料种类,必要时可安排软化处理和表面处理,以及选择合适的润滑剂和润滑工序。8.针对工作温度的良好润滑冲压模具的工作温度可分为低温、常温或交变温度等几种状态,温度对钢的耐磨性有相当大的影响。通常在250度以下时主要为氧化磨损,即冲压模具对接件或冲压模具与工件之间相对摩擦,形成氧化膜并反复形成和剥落,磨损量较小;250度到300度之间时转变为粘着磨损,磨损量达到最大值;高于300度又转化为氧化磨损为主,磨损量趋向减小,但温度过高时,冲压模具硬度明显下降,粘着现象加重,甚至形成较大面积烧结和熔融磨损。冲压工作时,模具因受热而升温,随着温度的上升,模具的强度下降,易产生塑性变形。同时,模具同工件接触的表面与非接触表面温度有差别,在模具中造成温度应力。润滑模具与坯料的相对运动表面,可减少模具与坯料的直接接触,减少磨损,降低成形力。同时,润滑剂还能在一定程度上阻碍坯料向模具传热,降低模具温度,对提高模具寿命都是有利的。9.冲压设备的选择与安装运行冲压设备的精度与刚度,结构特征,安装环境以及冲压速度都有将对模具寿命有很大的影响。①.设备的精度与刚度 冲压设备的精度与刚性对冲压模具寿命的影响极为重要。冲压设备的精度高、刚性好,冲模寿命大为提高。模具成形工件的力是由设备提供的,在成形过程中,设备因受力将产生弹性变形。复杂硅钢片冲模材料为Crl2MoV,在普通开式压力机上使用,平均复磨寿命为1-3万次,而新式精密压力机上使用,冲模的复磨寿命可达6~12万次。尤其是小间隙或无间隙冲模、硬质合金冲模及精密冲模必须选择精度高、刚性好的压力机,否则,将会降低模具寿命,严重者还会损坏模具。②.冲床本身坚固的框架结构和地基隔离带可以分解冲压过程中的冲击力。在冲床地基周围设置高湿度的隔离带,使用地基可以保持冲床的水平度,而水平度影响模具的寿命。③.控制滑块的导向精度。 大多数冲床只靠导轨来控制滑块的垂直运动,导轨不但控制驱动轮的运动而且承载机构产生的力。滑轨必须定期更换,但如果安装一个导向套,将延长滑块和导轨的寿命。这种带导向套的滑块吸收偏心轮产生的侧向力,并将其分解。在双重导向的冲程中,导轨的作用是引导承受模具反作用力的滑块,因此必须充分利用导轨的全部长度,使滑块在整个行程中被充分导向。这种导向套与导轨的组合导向比单独由导轨导向的导向面积要大1倍多。使用导向套再加上润滑油(而不是脂润滑),可使导轨间隙(0.0015英寸)比无导向套更小(0.008-0.015英寸)。使用小间隙导向可精确的控制滑块运动,尽管这种结构比无导向套初期的成本要高,但它可以使模具的寿命延长30%。④.降低落料时或冲裁力很大时的冲击力。 当切刃剪切至板料厚度的20%-30%时,板料开始断裂,并释放能量,促使滑块高速下行。在行程末端滑块速度的突然增大会对冲床和模具产生巨大的冲击,滑块在材料断裂点的速度与生成的反作用力直接相关。为减小这种冲击,在相同的生产节拍下使用一种驱动连杆将滑块在行程末端的速度减小到用曲柄冲床的40%。滑块对于模具的接触速度和冲击力也将降为曲柄冲床的60%。这种速度降低意味着减小了上下模的冲击,从而延长了模具的寿命。⑤.冲压速度 冲压速度愈高,模具在单位时间内受的冲击力愈大(冲量大);时间愈短,冲击能量来不及传递和释放,易集中在局部,造成局部应力超过模具材料的屈服应力或断裂强度。因此,冲压速度越高,模具越易断裂或塑性变形失效。10.日常保养与刃磨维修为了保护正常生产,提高冲压件质量,降低成本,延长冲压模具寿命,必须对模具进行日常保养,确保正确使用和刃磨维修。①.做好冲模的日常保养、维护工作, 注意保持棋具的清洁和合理的润滑,严格执行冲模“三检查”制度(使用前检查,使用过程中检查与使用后检查)。②.模具的正确安装与调试: 严格控制凸模进入凹模深度;控制校正弯曲、冷挤、整形等工序上模的下止点。③.冲模刃磨修理: 凸、凹模表面粗糙度值越低,耐疲劳强度越高,粗糙度值每降低1级,寿命可提高1倍。板料在冲裁时,随着凸模进入板料深度的增加,材料向凸、凹模刃口流动,直到凸模刃口和凹模刃口之间产生的裂纹重合时为止。在材料流动时,凸、凹模端面产生很大的摩擦力,摩擦力大小在很大程度上取决于凸、凹模端面粗糙度的高低,因此,研磨凸、凹模端面有利于提高冲模寿命,特别是形状复杂而精度要求高的中小型冲模。因此,研磨凸、凹模时,必须研磨侧面后再研磨端面磨削后。 三、冲压模具的寿命管理为了确保模具的使用处于受控状态,防止报废模具被使用,并根据需要申请备用模具,模具公司对模具的使用寿命要进行有效的管理。 流程责任部门作业内容相关记录略见杂志发表的原著模具使用单位各模具使用部门每月25~28号汇总模具生产数量,并将汇总结果反馈到模具制造部门评估报告模具档案资料模具制造部门模具制造部门将汇总的模具生产数量记录到模具的档案资料。模具制造部门将快要到模具寿命的模具资料反馈到各模具使用单位相关单位模具使用单位根据模具制造部门反馈的数据,申请评估小组对模具状况进行评估模具使用部门模具制造部门模具使用单位负责将模具的评估结果反馈到模具制造部门①.在模具移交的时候,模具制造部门负责建立模具的履历档案,包括模具设计寿命、设计图面、生产数量等资料。 ②.模具使用单位平时收集好模具生产数量,每月25~28号汇总出来,递交模具制造部门模具档案管理员一份。 ③.模具档案管理员将生产数量记录到对应的模具档案资料中,并将模具生产数量已达到设计寿命的80%的模具统计出来, 及时将统计结果反馈到模具使用单位。 ④.模具使用部门可以根据以下情况提出模具寿命评估申请: a.当模具的使用寿命达到模具寿命的80%时,可以提出申请对模具的状况进行评估,并填写《模具寿命评估表》。 b.对于模具状况不太好,而模具的使用寿命又不太长时,模具使用单位可以提前提出申请对模具的状况进行评估,并填写《模具寿命评估表》,并由模具设计部门组织对提前报废的模具进行分析,找出原因并制定备模改善措施。 c.当模具呆滞一年以上没有订单, 可以提出申请对模具进行评估,并填写《模具寿命评估表》。 ⑤.评估小组由模具使用单位、模具开发单位、品质保证单位相关责任人组成,并由品质保证单位主持评估小组对符合评估条件的模具进行全面、客观的评估。 ⑥.当评估出模具状况良好时,可以提出申请延长模具寿命,并重新设定出模具之延长寿命;当评估出模具状况不好时,可以建议降低模具使用寿命或建议模具报废,当评估有争议时,由技术总监裁决。 ⑦.评估小组将模具评估结果《模具寿命评估表》由技术总监批准,并及时反馈到生产使用部门,同时通知模具制造部门的模具管理员处,模具管理员于24小时内更改或补充好模具档案记录。 ⑧.当档案管理资料中反映出模具的使用寿命达到模具设计寿命或评估寿命时,如使用单位仍未申请模具寿命评估, 模具制造部门应及时通知使用单位申请模具寿命评估或建议申请报废。 各类冲压模具寿命比较各类冲模的使用(总)寿命概略值冲模的结构类型冲件料厚t(mm)≤0.5>0.5~1>1~2>2~4>4~6>6~810使用(总)寿命概略值(万冲次)单冲模无导向敞开式导柱(模架)式导板式280~350450~500300~400200~280300~450250~300100~200200~300150~20080~100150~200100~15040~80100~15060~10020~4065~85--10~1535~65--多工位连续模 连续冲裁模 导板式 300~450250~300200~280100~20080~100——— — 导柱模架+硬性卸料板 ————320~400200~320 120~18065~8535~65 导柱模架+弹压卸料板 450~560450~540340~420240~340— ————— 导柱模架+弹压板带小导柱 480~580440~550360~450250~350—————— 连复续合式模 导板式 250~300220~280200~250100~18080~100 —— —— 导柱模架 350~420300~400260~350120~24080~160———— 单复工合位模导柱模架(冲孔+落料),冲裁式复合模 440~550 400~500 350~400 320~400 —— —— —— 导柱模架(落料+拉伸或弯曲等),综合式复合模 400~500 350~420 300~400 280~360 —— —— —— 结束语在冲压模具的设计、制造、使用和维护全过程中,应用先进制造工艺技术和实行全面质量管理,是提高模具寿命的有效保证,并且致力于发展专业化生产,加强模具标准化工作,除零件标准化外,还有设计参数标准化、组合形式标准化、加工方法标准化等,不断提高模具设计和制造水平,有利于提高模具寿命。参考文献[1]《模具寿命与失效》曾珊琪 丁毅 ,化学工业出版社[2]《模具材料及表面处理》吴兆祥高枫,高等教育出版社[3]《提高模具寿命应用技术实例》王德文,机械工业出版社[4]《冲压模具技术问答》罗百辉编著,化学工业出版社作者简介罗百辉,70年代人,出生湖南衡阳,1996年南下跻身湘楚人家飘一代,曾自行开发PaulCAD设计软件提升业界设计效率,湘楚人家系列博客的作者,企博网优秀职业博客,价值中国首届最具影响力专家百强,模具专家论坛版主,多家工业媒体专家顾问,清华大学盛景商学院MBA,制造业资深职业经理人。随着模具工业日新月异的发展和网络博客时代的到来,一个走南闯北的书香人家迅速成长为中国模具技术与管理领域的传媒人, 2005年入选中国网络名人世界,著有《湘楚人家的网络生活》。2006年中国第三届诚信企业家会员。2006年中国国际经济发展研究中心行业特邀研究员,中国百名改革创新风云人物称号。2007年入选中国专家网模具专家,出版《冲压模具技术问答》。2008年加入中华全国总工会,在全国各制造和管理类期刊杂志撰稿,作品《企业管理九段位》入编《中国管理年鉴》创刊版。 在工程技术,生产制造,人事行政,品质,工厂筹建等方面有多年的全盘实战管理经验,能熟练操作公司运作程序和编制部门技术指南性手册,能引领和团结全体员工创建进取向上,和谐统一的企业文化氛围。具优秀项目管理能力,学习钻研和创新精神,良好的沟通和推动能力,政策执行推动领导能力,良好的业务运营知识和商业意识,成就导向和事业心,属国内高级技术管理营运型人才,制造业资深职业经理人。 在麻将与烟酒成为多数工薪族人精神与物质生活不可或缺的一部分时,他沉浸在虚拟的网络世界里,不断地传播他自已在企业里积累的管理技术知识并影响着起来越多的青年一代对健康良性的绿色网络的业余爱好和知识增长。

精彩短评 (总计1条)

  •       编者按: 随着模具工业的不断发展,模具的应用越来越广泛。目前国内大多数模具企业,模具的使用寿命还比较低,而且缺乏对模具寿命管理的理论认识和指导依据,这不仅会影响模具冲压生产的产品质量,而且会造成模具材料、加工工时等成本的巨大浪费,增加产品的成本并降低生产效率,严重影响模具企业产品市场的竞争力。
      
      摘要: 本文从模具寿命的概念入手,说明了模具的失效形式及原理,通过对影响模具寿命的各方面因素进行分析,提供了模具寿命管理的有效方法和可靠数据。
      
      关键词: 模具寿命 模具使用寿命 模具失效 模具维修 寿命管理
      
      一、模具寿命的概念原理
      
      模具寿命是指在保证制件品质的前提下,模具所能达到的生产次数(冲压次数、成型次数)。它包括反复刃磨和更换易损件,直至模具的主要部分更换所成形的合格制件总数。
       模具使用寿命:模具已经生产的次数。模具的失效分为非正常失效和正常失效。非正常失效(早期失效)是指模具未达到一定的工业水平下公认的寿命时就不能工作。早期失效的形式有塑性变形、断裂、局部严重磨损等。正常失效是指模具经大批量生产使用,因缓慢塑性变形或较均匀地磨损或疲劳断裂而不能继续工作。
      1.模具正常寿命
       模具正常失效前,生产出的合格产品的数目,叫模具正常寿命,简称模具寿命,模具首次修复前生产出的合格产品的数目,叫首次寿命;模具一次修复后到下一次修复前所生产出的合格产品的数目,叫修模寿命。模具寿命是首次寿命与各次修复寿命的总和。
      2.模具失效形式及原理
       模具种类繁多,工作状态差别很大,损坏部位也各异,但失效形式归纳起来大致有三种,即磨损、断裂、塑性变形。
      ①.磨损失效
       模具在工作时,与成形坯料接触,产生相对运动。由于表面的相对运动,接触表面逐渐失去物质的现象叫磨损。磨损失效可分以下几种:
      a. 疲劳磨损
      
      两接触表面相对运动时,在循环应力(机械应力与热应力)的作用下,使表面金属疲劳脱落的现象称为疲劳磨损。
      b. 气蚀磨损和冲蚀磨损
      
      金属表面的气泡破裂,产生瞬间的冲击和高温,使模具表面形成微小麻点和凹坑的现象叫气蚀磨损。
      
      液体和固体微小颗粒反复高速冲击模具表面,使模具表面局部材料流失,形成麻点和凹坑的现象叫冲蚀磨损。
      c. 磨蚀磨损
      
      在摩擦过程中,模具表面和周围介质发生化学或电化学反应,再加上摩擦力的机械作用,引起表面材料脱落的现象叫磨蚀磨损。
      
      在模具与工件(或坯料)相对运动中,磨损往往是以多种形式并存,并相互影响。
      ②.断裂失效
       模具出现大裂纹或分离为两部分和数部分丧失工作能力时,成为断裂失效。
      
      断裂可分为塑性断裂和脆性断裂。模具材料多为中、高强度钢,断裂的形式多为脆性断裂。脆性断裂又可分为一次性断裂和疲劳断裂。
      ③.塑性变形失效
       模具在工作时承受很大的应力,而且不均匀。当模具的某个部位的应力超过了当时温度下模具材料的屈服极限时,就会以晶格滑移、孪晶、晶界滑移等方式产生塑性变形,改变了几何形状或尺寸,而且不能修复再工作时,叫塑性变形失效。塑性变形的失效形式表现为镦粗、弯曲、形腔胀大、塌陷等。
       模具的塑性变形是模具金属材料的屈服过程。是否产生塑性变形,起主导作用的是机械负荷以及模具的室温强度。在高温下工作的模具,是否产生塑性变形,主要取决于模具的工作温度和模具材料的高温强度。
      二、影响冲压模具寿命的主要因素
      
      研究表明:模具的使用寿命与模具结构设计、模具钢材选用、热处理、表面处理、机械加工研磨、线切割工艺,冲压设备、冲压材料及工艺,模具润滑、保养维修水平差等诸多因素有关。其中引起模具失效的各种因素中,模具结构不合理、选材不当约占25%,热处理不当约占45%,工艺问题约占10%;设备问题、滑润问题等因素约占20%。
      1.合理的模具结构设计
      
      模具结构对模具受力状态的影响很大,合理的模具结构能使模具工作时受力均匀,不易偏载,应力集中小。模具设计的原则是保证足够的强度、刚度、同心度、对中性和合理的冲裁间隙,并减少应力集中,以保证由模具生产出来零件符合设计要求。因此对模具的主要工作零作(如冲模的凸、凹模等)要求其导向精度高、同心度和中性好及冲裁的间隙合理。在进行模具设计时,应着重考虑的是:
      
      ①.设计凸模时必须注意导向支撑和对中保护。特别是设计小孔凸模时采用导向装置结构,能保证模具零件相互位置的精度,增加模具抗弯曲、抗偏载的能力,避免模具不均匀磨损,从而延长模具寿命。
      
      ②. 对小孔、夹角、窄槽等薄弱部位进行补强,为了减少应力集中,要以圆弧过渡,圆弧半径R可取3~5mm。
      
      ③. 整体模具的凹圆角半径很易造成应力集中,并引起开裂,对于结构复杂的凹模采用镶拼结构,减少应力集中。
      
      ④. 冲模的凸、凹模圆角半径R不仅对冲压件成形有较大的影响,而且对于模具的磨损及寿命也影响很大。设计时应从保证成型零件充分接触的前提下尽可能放大,避免产生倒锥,影响冲件脱料出模,如圆角半径R过小且没有光滑过渡,则容易产生裂纹。
       ⑤.合理增大间隙,改善凸模工作部分的受力状态,使冲裁力、卸件力和推件力下降,凸、凹模刃口磨损减少。一般情况下,冲裁间隙放大可以延长切飞边模寿命。
      
      ⑥.模架应有良好的刚性,不要仅仅满足强度要求,模座厚度不宜太薄,至少应设计到45mm以上。浮动模柄可避免冲床对模具导向精度的不良影响。凸模应紧固牢靠,装配时要检查凸模或凹模的轴线对水平面的垂直度以及上下底面之间的平行度。
      
      ⑦.模具的导向机构精度。准确和可靠的导向,对于减少模具工作零件的磨损,避免凸、凹模啃伤影响极大,尤其是无间隙和小间隙冲裁模、复合模和连续模则更为有效。为提高模具寿命,必须根据工序性质和零件精度等要求,正确选择导向形式和确定导向机构的精度。一般情况下,导向机构的精度应高于凸、凹模配合精度。连续模具应设计4根导柱导向,这样导向性能好。因为增加了刚度,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。
      
      ⑧.排样方式与搭边值大小对模具寿命的影响很大,过小的搭边值,往往是造成模具急剧磨损和凸、凹模啃伤的主要原因。从节约材料出发,搭边值愈小愈好,但搭边值小于一定数值后,对模具寿命和剪切表面质量不利。在冲裁中有可能被拉入模具间隙中,使零件产生毛刺,甚至损坏模具刃口,降低模具寿命。因此在考虑提高材料利用率的同时,必须根据零件产量、质量和寿命,确定排样方法和搭边值。
      
      2.合理选择模具材料
      
      冲压模具工作时要承受冲击、振动、摩擦、高压和拉伸、弯扭等负荷,甚至在较高的温度下工作(如冷挤压),工作条件复杂,易发生磨损、疲劳、断裂、变形等现象。因此,模具材料的性能对模具的寿命影响较大,不同材质的模具寿命往往不同,对模具工作零件材料的要求比普通零件也高。
      
      ①.根据模具的工作条件、生产批量以及材料本身的强韧性能来选择模具用材,应尽可能选用品质好的钢材。
      
      a.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。
      
      b.材料的工艺性能良好,具有可锻性、淬硬性、淬透性、淬火裂纹敏感性和磨削加工性、热稳定性和耐热疲劳性等。通常根据冲压件的材料特性、生产批量、精度要求等,选择性能优良的模具材料,同时兼顾其工艺性和经济性。
      
      在大批量生产选用模具材料时,应选用长寿命的模具材料,如硬质合金,高强韧、高耐磨模具钢(如SKD11,SLD,DC53等);对小批量或新产品试制可采用国产的45#、Cr12等模具材料;对于易变形、易断裂失效的通用模具,需要选用高强度、高韧性的材料DF-2;热冲模则要选用具有良好的韧性、强度、耐磨性和抗冷热疲劳性能的材料( 如DAC)。
      
      ②.对模具材料要进行质量检测,模板要符合供货协议要求,模板的化学成份要符合国际上的有关规定。只有在确信模具材料合格的情况下,才能使用。
      
      ③.模具钢材生产厂家采用电渣重熔钢H13时要确保内部质量,避免可能出现的成份偏析、杂质超标等内部缺陷,要采用超声波探伤等无损检测技术检查,确保钢材内部质量良好,避免可能出现的冶金缺陷,将废品及早剔除。根据碳化物偏析对模具寿命的影响,必须限制碳化物的不均匀度,对精密模具和负荷大的细长凸模,必须选用韧性好强度高的模具钢,碳化物不均匀度应控制为不大于3级。Cr12钢碳化物不均匀度3级要比5级耐用度提高1倍以上。如果碳化物偏析严重,可能引起过热、过烧、开裂、崩刃、塌陷、拉断等早期失效现象。而对于直径小于或等于50mm的高合金钢,其碳化物不均匀性一般在4级以内,可满足一般模具使用要求。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。
      
      3.合理选择热处理工艺
      
      热处理不当是导致模具早期失效的重要原因,从模具失效分析得知,45%的模具失效是由于热处理不当造成的。模具热处理包括钢材锻造后的退火,粗加工以后高温回火或低温回火,精加工后的淬火与回火,电火花、线切割以后的去应力低温回火。只有冷热加工很好相互配合,才能保证良好的模具寿命。
      
      ①.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。
      
      ②.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,但对提高因折断或疲劳破坏的模具寿命极为有效。通常Cr12MoV钢淬火加热温度为1000℃,油冷,然后220℃回火。如能在这种热处理以前先行热处理一次,即加热至1100℃保温,油冷,700℃高温回火,则模具寿命能大幅度提高。
      
      ③.采用低温氮碳共渗工艺,表面硬度可达1200HV,也能大大提高模具寿命。 低温电解渗硫可降低金属变形时的摩擦力,提高抗咬粘性能。使用6W6Mo5Cr4V钢制作冷挤压凸模,经低温氮碳共渗后,使用寿命平均提高1倍以上,再经低温电解渗硫处理可以进一步提高寿命50%。
      
      ④.模具淬火后存在很大的残留应力,它往往引起模具变形甚至开裂。为了减少残留应力,模具淬火后应趁热进行回火,回火应充分,回火不充分易产生磨前裂纹。对碳素工具钢,200℃回火1h,残留应力能消除约50%,回火2h残留应力能消除约75%~80%,而如果500~600℃回火1h,则残留应力能消除达90%。
      
      ⑤.回火后一般为空冷,在回火冷却过程中,材料内部可能会出现新的拉应力,应缓冷到100~120℃以后再出炉,或在高温回火后再加一次低温回火。
      
      4. 合理的模具表面强化工艺
      
      模具表面强化的主要目的的是提高模具表面的耐磨性、耐蚀性和润滑性能。表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、点火花表面强化法、渗硼、TD法、CVD法、PVD法、激光表面强化法、离子注入法、等离子喷涂法等。
      
      ①. 气体软氮化:使氮在氮化温度分解后产生活性氮原子,被金属表面吸收渗入钢中并且不断自表面向内扩散,形成氮化层。模具经氮化处理后,表面硬度可达HV950~1200,使模具具有很高的红硬度和高的疲劳强度,并提高模具表面光洁的度和抗咬合能力。
      
      ②. 离子氮化:将待处理的模具放在真空容器中,充以一定压力的含氮气体(如氮或氮、氢混合气),然后以被处理模具作阴极,以真空容器的罩壁作阳极,在阴阳极之间加400~600伏的直流电压,阴阳极间便产生辉光放电,容器里的气体被电离,在空间产生大量的电子与离子。在电场的作用下,正离子冲向阴极,以很高速度轰击模具表面,将模具加热。离能正离子冲入模具表面,获得电子,变成氮原子被模具表面吸收,并向内扩散形成氮化层。应用离子氮化法可提高模具的耐磨性和疲劳强度。
      
      ③. 点火化表面强化:这是一种直接利用电能的高能量密度对模具表面进行强化处理的工艺。它是通过火花放电的作用,把作为电极的导电材料溶渗进金属工件表层,从而形成合金化的表面强化层,使工作表面的物理、化学性能和机械性能得到改善。例如采用WC、TiC等硬质合金电极材料强化高速钢或合金工具钢表面,可形成显微硬度HV1100以上的耐磨、耐蚀和具有红硬性的强化层,使模具的使用寿命明显得到提高。点火花表面强化的优点是设备简单、操作方便,处理后的模具耐磨性提高显著;缺点是强化表面较粗糙,强化层厚度较薄,强化处理的效率低。
      
      ④. 渗硼:由于渗硼层具有良好的红硬性、耐磨性,通过渗硼能显著提高模具表面硬度(达到HV1300~2000)和耐磨性,可广泛用于模具表面强化,尤其适用于处理在磨粒磨损条件下的模具。但渗硼层往往存着较大的脆性,这也限制了它的应用。
      
      ⑤. TD热处理:在空气炉或盐槽中放入一个耐热钢制的坩埚,将硼砂放入坩埚加热熔化至800℃~1200℃,然后加入相应的碳化物形成粉末(如钛、钡、铌、铬),再将钢或硬质合金工件放入坩埚中浸渍保温1~2小时,加入元素将扩散至工件表面并与钢中的碳发生反应形成碳化物层,所得到的碳化物层具有很高的硬度和耐磨性。
      
      ⑥. CVD法(化学气相沉积):将模具放在氢气(或其它保护气体)中加热至900℃~1200℃后,以其为载气,把低温气化挥发金属的化合物气体如四氯化钛(TiCI4)和甲苯CH4(或其它碳氢化合物)蒸气带入炉中,使TiCI4中的钛和碳氢化合物中的碳(以及钢表面的碳分)在模具表面进行化学反应,从而生成一层所需金属化合物涂层(如碳化钛)。
      
       ⑦ PVD法(物理体相沉积):在真空室中使强化用的金属原子蒸发,或通过荷能粒子的轰击,在一个电流偏压的作用下,将其吸引并沉积到工件表面形成化层。利用PVD法可在工件表面沉积碳化钛、氮化钛、氧化铝等多种化合物。
      
      ⑧. 激光表面强化:当具有一定功率的激光束以一定的扫描速度照射到经过黑化处理的模具工作表面时,将使模具工作表面在很短时间内由于吸收激光的能量而急剧升温。当激光束移开时,模具工作表面由基材自身传导而迅速冷却,从而形成具有一定性能的表面强化层,其硬度可提高15~20%,此外还具有淬火组子细小、耐磨性高、节能效果显著以及可改善工作条件等优点。
      
      ⑨. 离子注入:利用小型低能离子加速器,将需要注入元素的原子,在加热器的离子源中电离成离子,然后通过离子加热器的高电压电场将其加热,成为高速离子流,再经过磁分析器提炼后,将离子束强行打入模具工作表面,从而改变模具表面的显微硬度和粗糙度,降低表面摩擦系数,最终提高工作的使用寿命。
      
      5. 消除线切割产生的应力
       线切割机加工前,原材料内部因为淬火呈拉应力状态,线切割时产生的热应力也是拉应力,两种应力叠加的结果很容易达到材料的强度极限而产生微裂纹,从而大大缩短冲压模具寿命,因此要提高冲压模具的寿命,需要消除线切割产生的应力。
      
       ①研磨去掉白层 通常模具线切割后,经过研磨去掉表面硬度低的灰白层后便可进行装配使用。但这样做没有改变线切割造成的应力区的应力状态,即使增大线切割后的研磨余量,但因高硬层硬度高(达70HRC) ,研磨困难,过大的研磨量容易破坏零件几何形状。
      
      ②.回火处理 在线切割后,研磨去零件表面的白层,再在160℃~180℃回火2h ,则白层下面的高硬层可降低5HRC~6HRC,线切割产生的热应力亦有所下降,从而提高了冲模的韧性,延长了使用寿命。但是由于回火时间短,热应力消除不彻底,冲模寿命并不十分理想。
      
      ③.磨削加工 线切割后磨削加工,可去掉低硬度的白层和高硬层,提高冲模寿命。因为磨削时产生的热应力也是拉应力,与线切割产生的热应力叠加,无疑也会加剧冲模损坏。若在磨削后,再进行低温时效处理,则可消除应力影响,显著提高冲模韧性,使冲模寿命提高。因为几何形状复杂的冲模大多数是采用线切割加工,所以磨削形状复杂的冲模必须采用价格昂贵的坐标磨床和光学曲线磨床,而这两种设备一般厂家都不具备,故推广困难。
      
      ④.喷丸处理后再低温回火 喷丸处理可使线切割切口的残余奥氏体转变为马氏体,提高冲模的强度和硬度,使表面层应力状态发生变化,拉应力降低,甚至变为压应力状态,使裂纹萌生和扩展困难,再结合低温回火,消除淬火层内拉应力,可使冲模寿命提高10~20倍。喷丸处理受设备条件和冲模零件形状(内表面) 限制,难以普遍应用。
       ⑤.研磨后再低温时效处理 线切割表面经研磨后,高硬层已基本去掉,再进行120℃~150℃×5~10h低温时效处理(亦称低温回火处理) ,亦可经过160℃~180℃×4~6h 低温回火处理。这样可消除淬火层内部拉应力,而硬度降低甚微(后者硬度降低稍大),却大大提高了韧性,降低了脆性,冲模寿命可提高2倍以上。这一方法简便易行,效果十分明显,易于推广。
      
      消除线切割加工产生的应力,提高韧性,最佳方法是喷丸+ 低温回火,其次是磨削后+ 研磨+ 低温回火,再次是研磨+ 低温时效处理,各单位可根据自己的具体情况选择。
      
      某单位曾用材料为Cr12MoV的冲模,线切割后分别做如下试验,其寿命差异非常大。
       a.直接用于冲裁,刃磨寿命10742次。
       b.160℃回火2h,刃磨寿命11180次。
       c.研磨去白层,刃磨寿命仅4860次。
       d.研磨去白层,160℃×2h回火,刃磨寿命为7450次。
       e.磨削,刃磨寿命28743次。
       f.喷丸后经160℃×2h回火, 刃磨寿命达到220000次。
       6.合理的机械加工工艺和良好的加工精度
      
      机械加工工艺要能消除加工后的加工变形与残留应力,尽量采用磨削、研磨和抛光等精加工和精细加工,获得较小的表面粗糙度值,提高模具使用寿命。
      
      ①.粗加工时表面粗糙度Ra<3.2μm,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。
      
      ②.模具表面加工时留下的刀痕、磨痕都是应力集中的部位,也是早期裂纹和疲劳裂纹源,因此在冲模加工时一定要刃磨好刀具。平面刀具两端一定要刃磨好圆角R,圆弧刀具刃磨时要用R规测量,绝不允许出现尖点。
      
      ③.在精加工时走刀量要小,不允许出现刀痕。对于复杂零件要留一定的打磨余量,即使加工后没有刀痕,也要再由模具钳工用风动砂轮打磨抛光,但要注意防止打磨时局部出现过热、烧伤表面和降低表面硬度。
      
      ④.模具电加工表面有硬化层,厚10μm左右,硬化层脆而有残留应力,直接使用往往引起早期开裂,这种硬化层在对其进行180℃左右的低温回火时可消除其残留应力。磨削时若磨削热过大会引起肉眼看不见的与磨削方向垂直的微小裂纹,在拉应力作用下,裂纹会扩展。对Cr12MoV钢冷冲压凹模采用干磨,磨削深度为0.04~0.05mm时,使用中100%开裂;采用湿磨,磨削深度0.005~0.01mm时,使用性能良好。消除磨削应力也可将模具在260~315℃的盐浴中浸1.5min,然后在30℃油中冷却,这样硬度可下降1HRC,残留应力降低40%~65%。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。
      
      ⑤.冲模粗加工时要为精加工保留合理的加工余量,因为所留的余量过小,可能因热处理变形造成余量不够,必须对新制冲模进行补焊,若留的余量过大,则增加了淬火后的加工难度。
      
      ⑥.冲模滑块或浮块的平行度超过要求时,会使冲模锁扣啃坏或打裂,重者会打断顶杆甚至损坏模具,所以在冲模加工中除对模腔尺寸按图纸要求加工外,对其它各部分外形尺寸、位置度、平行度、垂直度都要按要求加工并严格检验。
      
      ⑦.冲模模腔的粗糙度直接影响冲模寿命,粗糙度高会使冲件不易脱模,特别是中间带凸起部位,冲件越深,脱料越困难,最后只能卸下冲模用机加工或气割的方法破坏冲件。由于粗糙度值高会使金属流动阻力增加,严重时会将模壁磨损成沟槽,既影响冲件成形,也易使冲模早期失效。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,表面粗糙度一般要求Ra=0.4~0.8μm。
      
      ⑧.模具的制造装配精度对模具寿命的影响也很大,装配精度高,底面平直,平行度好,凸模与凹模垂直度高,间隙均匀,亦可获得相当高的寿命。
      
      7.冲压原材料的选用
      
      ①冲压件的材料有金属和非金属。一般来讲,非金属材料的强度低,所需的成形力小,模具受力小,模具寿命高。因此,金属件成形模比非金属成形模的寿命低。
      
      ②.实际生产中,由于冲压原材料厚度公差超差、材料性能波动、表面质量较差(如锈迹)或不干净(如油污)等,会造成模具工作零件磨损加剧、易崩刃等不良后果。为此,应当注意:
      
      a.尽可能采用冲压工艺性好的原材料,以减少冲压变形力;
      
      b.冲压前应严格检查原材料的牌号、厚度及表面质量等,并将原材料擦拭干净,必要时应清除表面氧化物和锈迹;③根据冲压工序和原材料种类,必要时可安排软化处理和表面处理,以及选择合适的润滑剂和润滑工序。
      
      8.针对工作温度的良好润滑
      
      冲压模具的工作温度可分为低温、常温或交变温度等几种状态,温度对钢的耐磨性有相当大的影响。通常在250度以下时主要为氧化磨损,即冲压模具对接件或冲压模具与工件之间相对摩擦,形成氧化膜并反复形成和剥落,磨损量较小;250度到300度之间时转变为粘着磨损,磨损量达到最大值;高于300度又转化为氧化磨损为主,磨损量趋向减小,但温度过高时,冲压模具硬度明显下降,粘着现象加重,甚至形成较大面积烧结和熔融磨损。
      
      冲压工作时,模具因受热而升温,随着温度的上升,模具的强度下降,易产生塑性变形。同时,模具同工件接触的表面与非接触表面温度有差别,在模具中造成温度应力。润滑模具与坯料的相对运动表面,可减少模具与坯料的直接接触,减少磨损,降低成形力。同时,润滑剂还能在一定程度上阻碍坯料向模具传热,降低模具温度,对提高模具寿命都是有利的。
      
      9.冲压设备的选择与安装运行
      
       冲压设备的精度与刚度,结构特征,安装环境以及冲压速度都有将对模具寿命有很大的影响。
      
      ①.设备的精度与刚度 冲压设备的精度与刚性对冲压模具寿命的影响极为重要。冲压设备的精度高、刚性好,冲模寿命大为提高。模具成形工件的力是由设备提供的,在成形过程中,设备因受力将产生弹性变形。复杂硅钢片冲模材料为Crl2MoV,在普通开式压力机上使用,平均复磨寿命为1-3万次,而新式精密压力机上使用,冲模的复磨寿命可达6~12万次。尤其是小间隙或无间隙冲模、硬质合金冲模及精密冲模必须选择精度高、刚性好的压力机,否则,将会降低模具寿命,严重者还会损坏模具。
      
      ②.冲床本身坚固的框架结构和地基隔离带可以分解冲压过程中的冲击力。在冲床地基周围设置高湿度的隔离带,使用地基可以保持冲床的水平度,而水平度影响模具的寿命。
      
      ③.控制滑块的导向精度。 大多数冲床只靠导轨来控制滑块的垂直运动,导轨不但控制驱动轮的运动而且承载机构产生的力。滑轨必须定期更换,但如果安装一个导向套,将延长滑块和导轨的寿命。这种带导向套的滑块吸收偏心轮产生的侧向力,并将其分解。在双重导向的冲程中,导轨的作用是引导承受模具反作用力的滑块,因此必须充分利用导轨的全部长度,使滑块在整个行程中被充分导向。这种导向套与导轨的组合导向比单独由导轨导向的导向面积要大1倍多。使用导向套再加上润滑油(而不是脂润滑),可使导轨间隙(0.0015英寸)比无导向套更小(0.008-0.015英寸)。使用小间隙导向可精确的控制滑块运动,尽管这种结构比无导向套初期的成本要高,但它可以使模具的寿命延长30%。
      
      ④.降低落料时或冲裁力很大时的冲击力。 当切刃剪切至板料厚度的20%-30%时,板料开始断裂,并释放能量,促使滑块高速下行。在行程末端滑块速度的突然增大会对冲床和模具产生巨大的冲击,滑块在材料断裂点的速度与生成的反作用力直接相关。为减小这种冲击,在相同的生产节拍下使用一种驱动连杆将滑块在行程末端的速度减小到用曲柄冲床的40%。滑块对于模具的接触速度和冲击力也将降为曲柄冲床的60%。这种速度降低意味着减小了上下模的冲击,从而延长了模具的寿命。
       ⑤.冲压速度 冲压速度愈高,模具在单位时间内受的冲击力愈大(冲量大);时间愈短,冲击能量来不及传递和释放,易集中在局部,造成局部应力超过模具材料的屈服应力或断裂强度。因此,冲压速度越高,模具越易断裂或塑性变形失效。
      
      10.日常保养与刃磨维修
      
       为了保护正常生产,提高冲压件质量,降低成本,延长冲压模具寿命,必须对模具进行日常保养,确保正确使用和刃磨维修。
      
      ①.做好冲模的日常保养、维护工作, 注意保持棋具的清洁和合理的润滑,严格执行冲模“三检查”制度(使用前检查,使用过程中检查与使用后检查)。
      
      ②.模具的正确安装与调试: 严格控制凸模进入凹模深度;控制校正弯曲、冷挤、整形等工序上模的下止点。
      
      ③.冲模刃磨修理: 凸、凹模表面粗糙度值越低,耐疲劳强度越高,粗糙度值每降低1级,寿命可提高1倍。板料在冲裁时,随着凸模进入板料深度的增加,材料向凸、凹模刃口流动,直到凸模刃口和凹模刃口之间产生的裂纹重合时为止。在材料流动时,凸、凹模端面产生很大的摩擦力,摩擦力大小在很大程度上取决于凸、凹模端面粗糙度的高低,因此,研磨凸、凹模端面有利于提高冲模寿命,特别是形状复杂而精度要求高的中小型冲模。因此,研磨凸、凹模时,必须研磨侧面后再研磨端面磨削后。
      
      三、冲压模具的寿命管理
      
      为了确保模具的使用处于受控状态,防止报废模具被使用,并根据需要申请备用模具,模具公司对模具的使用寿命要进行有效的管理。
      
      流程
       责任部门
       作业内容
       相关记录
      
      略见杂志发表的原著
       模具使用单位
       各模具使用部门每月25~28号汇总模具生产数量,并将汇总结果反馈到模具制造部门
       评估报告
      
      模具档案资料
      
      模具制造部门
       模具制造部门将汇总的模具生产数量记录到模具的档案资料。
      
      模具制造部门
       将快要到模具寿命的模具资料反馈到各模具使用单位
      
      相关单位
       模具使用单位根据模具制造部门反馈的数据,申请评估小组对模具状况进行评估
      
      模具使用部门
      
      模具制造部门
       模具使用单位负责将模具的评估结果反馈到模具制造部门
      
      
      ①.在模具移交的时候,模具制造部门负责建立模具的履历档案,包括模具设计寿命、设计图面、生产数量等资料。
      
      ②.模具使用单位平时收集好模具生产数量,每月25~28号汇总出来,递交模具制造部门模具档案管理员一份。
      
      ③.模具档案管理员将生产数量记录到对应的模具档案资料中,并将模具生产数量已达到设计寿命的80%的模具统计出来, 及时将统计结果反馈到模具使用单位。
      
      ④.模具使用部门可以根据以下情况提出模具寿命评估申请:
      
      a.当模具的使用寿命达到模具寿命的80%时,可以提出申请对模具的状况进行评估,并填写《模具寿命评估表》。
      
      b.对于模具状况不太好,而模具的使用寿命又不太长时,模具使用单位可以提前提出申请对模具的状况进行评估,并填写《模具寿命评估表》,并由模具设计部门组织对提前报废的模具进行分析,找出原因并制定备模改善措施。
      
      c.当模具呆滞一年以上没有订单, 可以提出申请对模具进行评估,并填写《模具寿命评估表》。
      
      ⑤.评估小组由模具使用单位、模具开发单位、品质保证单位相关责任人组成,并由品质保证单位主持评估小组对符合评估条件的模具进行全面、客观的评估。
      
      ⑥.当评估出模具状况良好时,可以提出申请延长模具寿命,并重新设定出模具之延长寿命;当评估出模具状况不好时,可以建议降低模具使用寿命或建议模具报废,当评估有争议时,由技术总监裁决。
      
      ⑦.评估小组将模具评估结果《模具寿命评估表》由技术总监批准,并及时反馈到生产使用部门,同时通知模具制造部门的模具管理员处,模具管理员于24小时内更改或补充好模具档案记录。
      
      ⑧.当档案管理资料中反映出模具的使用寿命达到模具设计寿命或评估寿命时,如使用单位仍未申请模具寿命评估, 模具制造部门应及时通知使用单位申请模具寿命评估或建议申请报废。
      
      各类冲压模具寿命比较
      
      各类冲模的使用(总)寿命概略值
      
      冲模的结构类型
       冲件料厚t(mm)
      
      ≤0.5
       >0.5~1
       >1~2
       >2~4
       >4~6
       >6~8
       10
      
      使用(总)寿命概略值(万冲次)
      
      单
      冲
      模
       无导向敞开式
      导柱(模架)式
      导板式
       280~350
      450~500
      300~400
       200~280
      300~450
      250~300
       100~200
      200~300
      150~200
       80~100
      150~200
      100~150
       40~80
      100~150
      60~100
       20~40
      65~85
      --
       10~15
      35~65
      --
      
      多
      工
      位
      连
      续
      模
       连
      续
      冲
      裁
      模
       导板式
       300~450
       250~300
       200~280
       100~200
       80~100
       ——
       — —
      
      导柱模架+硬性卸料板
       ——
       ——
       320~400
       200~320
       120~180
       65~85
       35~65
      
      导柱模架+弹压卸料板
       450~560
       450~540
       340~420
       240~340
       — —
       ——
       ——
      
      导柱模架+弹压板带小导柱
       480~580
       440~550
       360~450
       250~350
       ——
       ——
       ——
      
      连复
      续合
      式模
       导板式
       250~300
       220~280
       200~250
       100~180
       80~100
       ——
       ——
      
      导柱模架
       350~420
       300~400
       260~350
       120~240
       80~160
       ——
       ——
      
      单复工合位模
       导柱模架(冲孔+落料),冲裁式复合模
       440~550
       400~500
       350~400
       320~400
       ——
       ——
       ——
      
      导柱模架(落料+拉伸或弯曲等),综合式复合模
       400~500
       350~420
       300~400
       280~360
       ——
       ——
       ——
      
      
      
      
      结束语
       在冲压模具的设计、制造、使用和维护全过程中,应用先进制造工艺技术和实行全面质量管理,是提高模具寿命的有效保证,并且致力于发展专业化生产,加强模具标准化工作,除零件标准化外,还有设计参数标准化、组合形式标准化、加工方法标准化等,不断提高模具设计和制造水平,有利于提高模具寿命。
      
      参考文献
      
      [1]《模具寿命与失效》曾珊琪 丁毅 ,化学工业出版社
      
      [2]《模具材料及表面处理》吴兆祥高枫,高等教育出版社
      
      [3]《提高模具寿命应用技术实例》王德文,机械工业出版社
      
      [4]《冲压模具技术问答》罗百辉编著,化学工业出版社
      
      作者简介
      
      
      罗百辉,70年代人,出生湖南衡阳,1996年南下跻身湘楚人家飘一代,曾自行开发PaulCAD设计软件提升业界设计效率,湘楚人家系列博客的作者,企博网优秀职业博客,价值中国首届最具影响力专家百强,模具专家论坛版主,多家工业媒体专家顾问,清华大学盛景商学院MBA,制造业资深职业经理人。
      
      随着模具工业日新月异的发展和网络博客时代的到来,一个走南闯北的书香人家迅速成长为中国模具技术与管理领域的传媒人, 2005年入选中国网络名人世界,著有《湘楚人家的网络生活》。2006年中国第三届诚信企业家会员。2006年中国国际经济发展研究中心行业特邀研究员,中国百名改革创新风云人物称号。2007年入选中国专家网模具专家,出版《冲压模具技术问答》。2008年加入中华全国总工会,在全国各制造和管理类期刊杂志撰稿,作品《企业管理九段位》入编《中国管理年鉴》创刊版。 在工程技术,生产制造,人事行政,品质,工厂筹建等方面有多年的全盘实战管理经验,能熟练操作公司运作程序和编制部门技术指南性手册,能引领和团结全体员工创建进取向上,和谐统一的企业文化氛围。具优秀项目管理能力,学习钻研和创新精神,良好的沟通和推动能力,政策执行推动领导能力,良好的业务运营知识和商业意识,成就导向和事业心,属国内高级技术管理营运型人才,制造业资深职业经理人。
       在麻将与烟酒成为多数工薪族人精神与物质生活不可或缺的一部分时,他沉浸在虚拟的网络世界里,不断地传播他自已在企业里积累的管理技术知识并影响着起来越多的青年一代对健康良性的绿色网络的业余爱好和知识增长。
 

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