探讨提高精密成形模具寿命的方法

    李平

    【摘 要】 论述精密体积成形（精锻）模具的寿命与模具设计的关系。采用合理设计精密体积成形件、锻压工艺、模具结构，选择模具材料，可大幅度提高模具寿命。

    【关键词】 模具寿命；设计；模具结构；材料

    【中图分类号】 G64.2 【文献标识码】 A 【文章编号】 2095-3089（2017）14-00-01

    1、引言

    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%。

    模具的早期失效形式，多为凸模断裂、模膛边缘堆塌、飞边遭桥部龟裂、模腔底部发生裂纹。影响模具寿命的因素较多，涉及面广，要提高模具寿命则需进行精心设计。模具设计环节是指模具的结构设计、成形模腔设计和确定模具钢种及模具硬度等。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。现从模具设计和制造二方面探讨提高模具寿命的方法。

    2、对精密体积成形件（精锻件）的设计

    模锻件应避免有小孔、窄槽和夹角，应做到形状对称、轴对称、上和下以有左和右对称。要设计拔模斜度，避免应力集中和模锻单位压力增大，克服偏心受载和模具磨损不均等缺陷。

    锻模模腔边缘和底部圆角半径R在设计时应尽量放大锻件型腔。若圆角半径过小，模腔边缘在高温高壓下易堆塌或形成倒锥，影响模锻件出模。如底部圆角半径R过小易产生裂纹并不断扩大。

    利用CAD系统功能对模具进行二维和三维设计，保证产品原始信息的统一性和精确性，提高模具的设计质量。产品三维立体的造型过程因在锻造前全面反映出产品的外部形状，发现问题及时解决，用电脑设计出加工模具型腔的电极，做好模具加工的准备工作。

    采用CAM技术设计好电极并按指定方式精确生产，采用数铣（或加工中心）加工电极，保证电极的加工精度，减少试模时间，提高生产效率。

    采用CAD/CAM技术可对外形复杂、精度要求高的锻件进行精确的尺寸描述，确定合理的分模面，保证合模精度，从模具制造这一环节确保产品精度。

    CAD/CAM/CAE技术可对关键部位的尺寸设计提供修改依据，提供高质量锻件，为设计提供依据。

    成形是模锻过程中重要的工序，模锻件的几何形状是靠锻模来保证；在模具设计时应采取措施减轻后续工序的加工难度，预防和减少模锻件开裂与变形，提高锻件合格率。如锻件的某些部位在切边和冲孔时易变形影响产品质量，在设计上适当增加相应变形部位的加工余量予以补偿，对薄法兰锻件切边时变形大更为重要；对杆部直径较小锻件在切边和热处理过程中会产生有规律的几何变形，而用冷校正方式无法或难以校直。例：某厂生产的TS60曲轴，可根据实践经验和统计数据预先将中心线在一定范围内变形方向反向偏移一定的预补反变形量。

    3、对锻压工艺的设计

    要求工艺人员要具有较高的水平、丰富的实践经验，否则一旦失误就会造成较大损失。对于切边时存在容易撕裂部分的锻件，可在飞边桥部处降低薄弱部分的切割厚度。如S195连杆，材料为45号钢，锻后冷切边，大头搭子部位由于截面形状小、料薄，在切边时经常出现搭子及附近筋部撕裂，废品率高；而在设计锻模时减薄此处飞边桥的高度，减少此处飞边冲裁力，可以大大减少切边撕裂。

    冷挤压工艺是软化毛坯及减少变形时的磨擦力，控制各工序变形程度的合理分配。一般低碳钢、碳钢及低碳合金钢的软化退火工艺为：加热至760℃保温4h，以20℃/h的冷却速度冷到680℃保温3h，再以20℃/h的冷却速度冷却到640℃后随炉冷却到350℃出炉。硬度一般可达125～155HB。含碳量小于0.2%的碳钢，钢材经退火后硬度可小于120HB。钢材经软化退火后再经滚光、酸洗、磷化、皂化后再涂猪油拌MoS2润滑，可降低变形负载，有效减少凸模、压模圈、接头体的断裂失效。

    采用多工序小变形的冷挤压方法能有效地降低模具承受的单位挤压力，工序间坯料可无需软化处理，延长模具使用寿命。国内某些厂家在挤压生产时贪图一时之便，减少挤压工序，虽然也能把样品（或产品）做出，但模具负荷太大，容易出现断裂失效。这种急功近利的做法是我国冷挤压工艺曾经一轰而起未能迅猛发展的主要技术原因之一。

    采用锻模CAE软件分析材料的流动情况、磨擦阻力以及材料的充腔溢料情况，帮助设计人员有效合理地进行工艺设计。

    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。

    4、对模具结构的设计

    模具结构设计可达到导向精度合理、冲裁间隙恰当、刚性好的目的，并采用组合式模具。

    模架应做到刚性和强度好，模板不宜太薄，条件容许下尽量增厚，甚至增厚50%。多工位模具的导柱导向不宜采用2根，应采用4根，达到导向性能好；使刚度增加和凸、凹模间隙均匀，确保凸模和凹模避免碰切现象。

    浮动模柄可避免压力机对模具导向精度的不良影响。夹紧凸模，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。

    凸模和凹模在冷挤压时硬度合适，充分发挥强韧化处理对延长寿命的潜力。如W6Mo5Cr4V2钢冷挤压凸模，当硬度≥60HRC时可正常使用，寿命为3000～3500件；当硬度为57～58HRC挤压工件时，凸模的工作带会镦粗。某厂发现检测挤压第1件以后凸模的工作带尺寸，镦粗增大量为0.01～0.04mm。

    热挤凹模与冷挤摸的方法完全不同，当把3Cr2W8V钢热挤凹模的硬度值从>40HRC降到37～38HRC时，使用寿命从1000～2000次提高到6000～8000次。

    结论：在不同的锻压设备上的模锻对锻模的硬度要求相同，在相同的锻压设备上的模锻对锻不同的产品其模具的硬度要求不相同。

    在锻件飞边切除时，凸模底要尽量与锻件的上侧表面相吻合。如钢丝钳模锻件热切飞边时，切飞边凸模底部的凹形要与钢丝钳柄部的弧形相吻合，否则在切飞边过程中，切飞边凸模易使锻件向一侧翻转，使凸模和凹模损坏。一般情况，冲裁间隙放大可以延长切飞边模寿命。

    5、对模具材料的选择

    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，选用品质好的钢材。据有关资料得知：材料费用仅是模具价格的6%～20%，模具的制造费较高。

    对模具材料要进行质量检测，模块的化学成份要符合国际上的有关规定，也要符合供货协议要求；模块合格方可锻造。大型模块（100kg以上）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，确保每件锻件内部质量良好，避免可能出现的冶金缺陷，将废品及早剔除，提高产品的合格率。

    6、结束语

    设计虽然只占模具成本的10%左右，但合理的使用方法却直接影响模具的使用寿命。采用合理设计精密体积成形件（精锻件）、锻压工艺、模具结构，选择正确的模具材料，可大幅度提高模具寿命。材质好坏、热处理硬度、模具设计的合理性、模具工艺、加工精度、模具装配精度、配用设备的精度、工作零件的间隙值是否均匀合理等等，不同种类的模具，影响的因素不同。

    参考文献：

    [1]史铁梁主编.模具设计指导.北京：机械工业出版社；

    [2]成虹主编.冲压工艺与模具设计.北京：高等教育出版社；

    [3]赵孟栋主编.冷冲模设计.北京：机械工业出版社；

    [4]王秀云、李莉主编.模具材料与使用寿命.北京：机械工业出版社；

    [5]章飞主编.型腔模具设计与制造.北京：化学工业出版社。