冷擠壓模具失效分析與提高模具壽命途徑

徐勝利，苗高蕾

（西安航空職業(yè)技術學院，陜西 西安 710089）

冷擠壓模具失效分析與提高模具壽命途徑

徐勝利，苗高蕾

（西安航空職業(yè)技術學院，陜西 西安 710089）

本文系統(tǒng)分析了影響擠壓模具壽命的各種因素，從設計選材、減少擠壓件壁厚、模具表面強化處理等方面，闡述了提高擠壓模具壽命的途徑。

機械制造；模具壽命；冷擠壓；失效分析

1 引言

冷擠壓是一種先進的壓力加工方法，無論在技術上和經濟上都有顯著特點，該工藝可以大量節(jié)約原材料，生產效率高，容易實現(xiàn)自動化，可加工形狀復雜的零件。冷擠壓件具有強度高、剛性好、重量輕、表面光潔和尺寸精度高等優(yōu)點。因而，是航空、交通運輸、通訊、家電、自行車等行業(yè)廣泛采用的一種先進工藝技術。

冷擠壓模具是保證擠壓件形狀尺寸和精度的重要工裝，是保證擠壓件表面質量的重要因素之一。模具壽命長短直接影響產品質量和生產效率的提高。因此，提高擠壓模具壽命對降低生產成本，提高經濟效益有著十分重要意義。

2 冷擠壓模具失效原因

冷擠壓模具失效概括地說包含兩方面：模具本身的損壞和生產出擠壓件尺寸的超差。模具本身損壞又分為正常和非正常兩種損壞形式，非正常損壞既無規(guī)律可尋，又可通過人為方法加以克服。本文主要討論正常工作條件下的損壞，即冷擠壓模具的失效。模具失效的主要形式有磨損、塑性變形、疲勞破壞和斷裂。

冷擠壓模具失效原因：擠壓工藝循環(huán)過程中，變形金屬和模具工作表面之間的相對運動產生劇烈摩擦導致模具表面磨損；模具內部反復引起的高壓應力，使模具工作時受到非對稱的交變應力作用而發(fā)生塑性變形；擠壓時金屬的劇烈流動產生的熱效應和摩擦熱使模具工作表面溫度升高（可高達400℃以上），當取出工件加潤滑劑時這一工作間隙時間，這極易使模具表面散熱降溫。所以模具在完成一個工藝循環(huán)時，需經受一次熱循環(huán)引起的交變應力作用，導致疲勞裂紋破壞。

特殊的是擠壓凸模比較細長，工作循環(huán)過程中，由于受側向力和附加彎曲應力的作用，根部產生很大的交變彎曲應力，也易發(fā)生疲勞破壞。因此，彎曲應力對凸模的疲勞破壞不可忽視。

3 影響冷擠壓模具壽命因素分析

3.1 模具材料對壽命的影響

擠壓工藝循環(huán)中，模具工作環(huán)境較差，要保證擠壓模具能夠長時間可靠工作，所選擇的模具材料必須具備高硬度、高強度、高耐磨性和良好的韌性、足夠的熱穩(wěn)定性、熱硬性、耐熱疲勞性。

如果模具材料選用不合理，即使價格昂貴的模具鋼其效果也難以奏效。例如，擠壓鉛、鋁等軟材料零件，選用高速鋼（如W18Cr4V）來制作模具，其壽命并不理想。若選用優(yōu)質碳素工具鋼，可以達到理想效果。反之，擠壓硬材料的鋼件時，選擇Cr12MoV這類高鉻工具鋼或W18Cr4V這類高速工具鋼，熱處理后，不僅強度高、硬度高、而且韌性、熱硬性和耐磨性也好，完全可滿足鋼件擠壓模具的要求。因此，根據(jù)擠壓件材料種類和復雜程度、擠壓方式、模具結構形式、模具實際工作條件、生產批量大小及設備類型綜合考慮選擇模具材料，是保證擠壓模具具有高壽命的前提。

3.2 凸模的彎曲應力對模具壽命影響

凸模的彎曲應力是由于凸模頭部受到側向力作用的結果，其來源主要有如下幾方面：模具制造、安裝誤差或壓力機靜態(tài)精度不好，模具安裝后，凸模中心線相對于凹模中心線發(fā)生偏斜，工作時，凸模就會受到側向力作用；毛坯兩端面不平行或與外圓不垂直，毛坯在凹模內因間隙大而放偏，擠壓時凸模會受到側向力的影響；模架中心與壓力機中心不重合，或模具結構不對稱，使壓力機臺面和模板彈性壓縮變形不對稱，壓力機本身剛性和精度差等都是產生側向力的來源；凸凹模緊固不牢靠，在上述側向力作用下，模具發(fā)生“移動”使凸模中心錯開。

凸模在這些側向力作用下，會發(fā)生彈性彎曲，在凸模彎矩最大處，彎曲應力最高，有：

式中：Mmax——凸模最大彎矩，產生在凸模根部；

W——凸模抗彎截面模量。

式中：αC——應力集中系數(shù)；

Q——側向力；

l——凸模桿部長度。

如果σ彎遠大于凸模的疲勞強度時，在較少的擠壓次數(shù)后就會引起一條或數(shù)條疲勞裂紋，此時，稱為高應力疲勞破壞；若σ彎很小，多次擠壓后也會引起疲勞裂紋，此時稱為低應力疲勞破壞。因此，σ彎的大小直接影響擠壓次數(shù)N，即凸模壽命。

設凸模的裂紋長度a，根據(jù)斷裂力學Paris—Erdongan公式，有

式中：da/dN——亞臨界擴張速率（即a＜裂紋臨界長

度ac時）；

ΔK——應力強度因子振幅值；

C、m——材料常數(shù)，查表或試驗確定。

式中：Y——裂紋荷因子；

σa——交變應力幅值。

式中：ai——裂紋初始尺寸。

由式（7）可知：

由上式可以看出，N與σ彎的某次方成反比?？梢?，σ彎的大小對凸模疲勞壽命的影響是很大的。

3.3 熱處理工藝對模具壽命的影響

模具的使用壽命在很大程度上取決于熱處理的質量。熱處理的目的不僅是為了提高模具的硬度，也是為了改善鋼的組織和性能，以獲得理想的熱強度和韌性。為確保熱處理質量，近年來普遍采用可控氣氛和真空熱處理工藝，對溫度、溫升和冷卻速度、淬火介質、回火次數(shù)等參數(shù)進行大量研究，并取得良好的效果。例如：滾動觸頭零件冷擠壓模具，模具材料為Cr12鋼，采用普通的一次硬化熱處理工藝，壽命僅為6000～8000件，主要失效形式為開裂；改為鍛熱固溶淬火（1050℃油淬）＋等溫淬火（780℃）雙重熱處理工藝方法，可使模具壽命提高1.5倍以上。采用雙重淬火工藝，可使碳化物呈彌散析出，均勻分布于鋼的基體中，最終組織為10%下貝氏體＋回火馬氏體和彌散分布的碳化物及少量殘余奧氏體。硬度58～62HRC，這種組織細密，有高的強韌性、耐磨性和良好的斷裂韌性。

3.4 模具加工方法對模具壽命影響

電火花切割已廣泛用于模具加工。由于線切割加工一般都是在熱處理后進行，從而避免了熱處理變形、表面脫碳等弊端。但由于線切割工藝大多采用快走絲方法，線切割后工件表面粗糙度Ra>2.5μm，硬度分布和內應力狀態(tài)都較差。所以不經研磨或稍加研磨就裝配使用，結果經常出現(xiàn)崩刃、折斷、碎裂等現(xiàn)象。正常使用情況下，模具壽命也很低。

模具壽命低的原因主要是：線切割加工時，放電區(qū)電流密度很大（10000A/mm2），溫度很高（10000℃～12000℃），加注的介質液急劇冷卻，使切割表面層硬度僅有20HRC左右。其后為熱影響區(qū)，再后才是原硬度區(qū)，而內部淬火層硬度高達70HRC以上。更為嚴重的是原材料內部因淬火呈拉應力狀態(tài)，線切割所產生的熱應力狀態(tài)也是拉應力，兩種拉應力疊加的結果很容易達到材料抗拉強度而產生微裂紋，從而大大縮短模具壽命。因此，線切割工藝不能作為擠壓凸、凹模的最終加工工序。必須采取其他工藝方法消除應力。目前，最有效的消除應力措施有以下兩種。

（1）研磨＋回火處理

線切割加工后，用研磨的方法去掉表面20HRC的白層，再經160℃～180℃回火處理2h，則白層下面的高硬層可降低6～8HRC，線切割產生的熱應力得以消除。從而提高了鋼的韌性，延長了模具使用壽命。

（2）研磨＋低溫時效處理

線切割加工表面經研磨后，白層和高硬層基本去掉。再進行120℃～150℃下5h～10h低溫時效處理（低溫回火處理），或采取160℃～180℃下4h～6h低溫回火處理，可消除淬火層內部的拉應力。而硬度降低甚微，卻大大提高了鋼的韌性，降低了脆性，擠壓模具壽命可提高4倍以上。若擠壓模具在生產若干零件后，內部應力已經積聚很高。也可用此方法消除內應力，提高韌性從而提高模具壽命。

4 提高擠壓模具壽命途徑

4.1 正確選用模具材料

模具材料是影響冷擠壓模具壽命的關鍵因素之一，模具制造周期長，成本高，材料費用僅為模具費用的10%～15%左右，因此，要盡可能選用品質優(yōu)良鋼材制造擠壓模具。例如：①擠壓形狀較為復雜材質為20鋼的支撐塊零件時，選用3Cr2W8V材料，熱處理硬度為48～52HRC，模具壽命僅為6000件左右，主要破壞形式為型腔角部破裂，模具工作表面磨損。改變工藝方法，進行氣體碳氮共滲，模具表面硬度提高到60～62HRC后，模具使用壽命超過2萬件；②擠壓材質為Q235鋼的軸擋和軸管類零件時，選用強度高，塑性和韌性好的7CrSiMnMoV（CH）材料。采用560℃預熱＋880℃油淬＋200℃回火熱處理工藝，其模具使用壽命可達到9000件左右。

4.2 減少擠壓件壁厚差

前述分析可知，側向力的來源很多，它們之間又有復雜的交互作用。因此，σ彎很難用精確計算求得，而且σ彎還與應力集中有關，所以，模具材料、加工方法和工作狀況及凸模形狀都會影響σ彎的大小。試驗分析表明，凸模的σ彎與擠壓件的偏心量e成正比。因此，可以用擠壓件偏心量e來反映σ彎的大小。為便于分析，忽略工件內孔和外圓形狀誤差，偏心量就等于壁厚差之半。顯然，測量工件壁厚差比測量彎曲應力σ彎簡單多了。

設擠壓件壁厚差為δ。

則由式（8）可得：

即說明擠壓次數(shù)（模具壽命）與擠壓件壁厚差的某一次方成反比，若其他情況不變，則減小擠壓件壁厚差，凸模的疲勞壽命可得到很大提高。因此，壁厚差較小的擠壓件不僅可提高擠壓件精度，而且可大大地提高模具使用壽命。

4.3 表面強化處理

為進一步提高擠壓模具壽命，可對擠壓模具工作表面進行碳氮共滲、離子氮化、滲碳、滲硼及局部刷鍍、噴涂等表面處理方法，使模具工作表面生成一層高強度、有極好耐磨性的化合物，從而增加模具耐磨性，以提高擠壓模具壽命。

表面強化工藝中的PVD、CVD、PCVD技術均可用于模具工作表面處理，運用PCVD沉積工藝，可在模具工作表面形成TiC、TiN鍍膜，模具壽命可提高幾倍到幾十倍。

5 結束語

綜上分析可知，選用品質優(yōu)良的冷擠壓模具材料，正確合理的設計擠壓凸模結構，采用先進的熱處理工藝和表面強化處理技術，規(guī)范冷擠壓模具使用過程控制，可有效的提高冷擠壓模具使用壽命，從而達到提高冷擠壓件生產率、節(jié)約材料、降低生產成本的目的。

[1]盧吉連.花鍵套筒冷擠凸模的正確選材.機械工程材料,1998，（5）:41-43.

[2]彭成允，等.3Cr2W8V鋼用于冷擠壓模.金屬熱處理,2001,（7）:33-35.

[3]王德文.鋼的冷擠壓模具材料及其熱處理.中國熱處理年鑒，2003.

[4]王德文，主編.提高模具技術應用實例.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

[5]錢苗根，主編.材料表面技術及應用手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

Failure analysis of cold extrusion die life and improvement solution

XU Shengli，MIAO Gaolei
（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089,Shanxi China）

Various factors which impact the life of extrusion die have been systematically analyzed.The way to improve the life of extrusion die has been introduced from the material selection,reduction of the extrusion part wall thickness,and die surface hardening aspects.

Die life；Cold extrusion；Failure analysis

TG375+.41

B

1672－0121(2011)03－0071－03

2011-02-28

徐勝利(1963-)，男，高工，從事材料成形及模具技術的教學與研究