提高汽車(chē)模具可靠性的方法

鄭瀅瀅

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

提高汽車(chē)模具可靠性的方法

鄭瀅瀅

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

文章從汽車(chē)工業(yè)的基礎(chǔ)工藝裝備出發(fā)，淺析了汽車(chē)模具的的失效模式及機(jī)理，從模具材料、模具設(shè)計(jì)、模具加工、熱處理和表面強(qiáng)化技術(shù)等幾個(gè)方面提出了提高汽車(chē)模具可靠性方法。

汽車(chē)模具；失效；可靠性

1 引言

目前，我國(guó)的模具總產(chǎn)值排世界第三，僅次于美國(guó)和日本。隨著我國(guó)模具業(yè)產(chǎn)品專(zhuān)業(yè)化、細(xì)分化的趨勢(shì)，汽車(chē)模具行業(yè)迅速發(fā)展，現(xiàn)已具備相當(dāng)規(guī)模，但是距離模具強(qiáng)國(guó)還有較大的差距。模具是汽車(chē)工業(yè)的基礎(chǔ)工藝裝備，制造一輛普通的轎車(chē)約需要1500套模具，其中沖壓模具約占2/3，一輛汽車(chē)的 90%的零件需要模具成形。在新車(chē)型的開(kāi)發(fā)中，用于車(chē)身和沖壓工藝及裝備的開(kāi)發(fā)約占60%[1]。

汽車(chē)模具中大部分為沖壓模具，工作環(huán)境惡劣，一方面要承受很高的接觸壓力和劇烈的摩擦，另一方面在循環(huán)加工工件時(shí)，引起模具的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度的周期性變化而造成模具的疲勞失效。模具失效會(huì)影響零件的加工質(zhì)量，造成被迫停產(chǎn)維修，降低了生產(chǎn)效率，增加了零件生產(chǎn)成本，給汽車(chē)產(chǎn)業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。分析汽車(chē)模具的失效形式，研究提高汽車(chē)模具可靠性的方法，對(duì)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大的意義。

2 模具失效模式及失效機(jī)理

模具的失效可以概括為兩方面：模具本身的損壞和生產(chǎn)的零件達(dá)不到精度。模具的本身?yè)p壞分為正常損壞和非正常損壞兩種模式。本文主要討論正常損壞模式下模具的失效。研究汽車(chē)模具的失效模式及機(jī)理，目的是為了有效的減少和避免模具的失效，增強(qiáng)模具的可靠性，提高模具的性能和使用壽命。

模具失效機(jī)理：模具工作時(shí)，零件和模具工作表面之間在高壓力作用下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生劇烈摩擦，這將導(dǎo)致模具表面磨損；擠壓循環(huán)工藝過(guò)程中，模具內(nèi)部會(huì)形成很大的應(yīng)力，由于結(jié)構(gòu)上原因，模具受到非對(duì)稱(chēng)的交變應(yīng)力而發(fā)生塑性變形；擠壓時(shí)由于金屬劇烈流動(dòng)和摩擦將產(chǎn)生大量的熱量，使模具表面溫度升高，冷作模具表面的溫度可以到達(dá) 400℃[2]，熱鍛模表面溫度更高，在結(jié)束一道工序，取出零件后加潤(rùn)滑劑，表面會(huì)散熱冷卻，這樣便形成一個(gè)熱循環(huán)而產(chǎn)生熱交變應(yīng)力導(dǎo)致熱疲勞破壞。

模具失效的原因有很多，但其中的主要原因可以歸納為設(shè)計(jì)不合理、選材不當(dāng)、熱處理不合理、加工不良、使用方法不當(dāng)?shù)葞讉€(gè)方面。張?jiān)芠3]有統(tǒng)計(jì)，模具失效的比例如圖 1所示：設(shè)計(jì)不合理占3.3%，選材不當(dāng)占17.8%，熱處理不合理占52%，鍛造不良占7.8%，加工工藝不合理占8.9%，使用方法不當(dāng)占 10.2%。為了提高模具的可靠性，應(yīng)該最大可能的避免以上造成失效的主要原因出現(xiàn)。

圖1 模具失效比例

3 提高模具可靠性方法

3.1 選擇正確的模具材料

模具材料是影響冷擠壓模具壽命關(guān)鍵因素，所選擇的模具材料應(yīng)具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、足夠的熱硬性、穩(wěn)定性和耐熱疲勞性。一般的模具材料費(fèi)用不及模具總費(fèi)用的 20%，為了保證模具的性能，要盡量選用優(yōu)良鋼材來(lái)制造模具。模具材料表面的缺陷（如脫碳、氧化、疤痕等）和內(nèi)部缺陷（如夾雜成分偏析、碳化物分布不均、表面脫碳等）將影響模具的可靠性，在選模具材料時(shí)應(yīng)避免。

3.2 模具設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)前，根據(jù)成形零件的材料、形狀和幾何尺寸確定模塊的外形尺寸，以保證模具的強(qiáng)度。在模具設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免尖角，槽和孔的位置應(yīng)該合理布置。過(guò)小的圓角半徑、槽和孔的位置布置不合理，在模具的熱處理和使用的過(guò)程中，可能會(huì)引起過(guò)大的應(yīng)力集中而使模具產(chǎn)生裂紋，發(fā)生失效，降低了模具可靠性。凸模的各個(gè)部分過(guò)渡應(yīng)圓滑平緩，盡量避免尖角。有些整體模具不可避免的存在凹的圓角半徑，造成應(yīng)力集中而容易產(chǎn)生裂紋，可以采用鑲嵌結(jié)構(gòu)有效的避免。

3.3 合理的機(jī)加工

模具機(jī)加工過(guò)程中，型腔和凸模的圓角部位，常常因?yàn)檫M(jìn)刀太深而留下一些刀痕，這些刀痕會(huì)造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中。因此，在模具加工的最后一道切削中，應(yīng)盡量減少走刀量，降低模具表面粗糙度。模具在鍛造過(guò)程中，模具應(yīng)反復(fù)多方向鍛造，要盡量消除碳化物偏析，獲得盡可能細(xì)小、均勻分布的碳化物組織，以防止在后面淬火時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。電火花加工是現(xiàn)代模具制造中不可缺少的精加工方法，火花放電時(shí)，局部溫度高達(dá)1000℃，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，模具表面金屬被熔化和汽化，表面組織發(fā)生變化，形成所謂的電加工異常層(如圖2所示)，該層內(nèi)部有許多微細(xì)的裂紋，熔化凝固層下一層區(qū)域發(fā)生淬火，形成淬火層，再往里由于受熱減少，該層溫度不高，只發(fā)生回火，形成回火層，回火層?？梢栽陔娀鸹庸ず笥脵C(jī)械加工方法將該層去除，然后再進(jìn)行一次低溫回火，使該層穩(wěn)定化，防止微裂紋擴(kuò)展[4]。在磨削工程中，為了防止磨削表面過(guò)熱、表面軟化和產(chǎn)生熱應(yīng)力，應(yīng)該采用粘結(jié)性較差的砂輪或者切削力強(qiáng)的粗砂輪，選用合適優(yōu)質(zhì)的冷卻劑，并減少零件的進(jìn)給量，在磨削結(jié)束后，采用250~350℃回火，以消除磨削應(yīng)力。

圖2 電加工異常層

3.4 合理的熱處理工藝

模具的可靠性很大程度取決于熱處理質(zhì)量，熱處理不僅提高了表面的硬度，而且更多的是改變其內(nèi)部的組織和性能，以獲得理想的韌性和熱強(qiáng)度。合理的熱處理工藝使模具獲得良好的力學(xué)性能，極大的提高模具的可靠性。但是，模具在熱處理時(shí)，加熱溫度的高低、保溫時(shí)間的長(zhǎng)短、以及冷卻速度快慢等工藝參數(shù)選擇不當(dāng)都可能成為模具失效的因素。一般模具材料導(dǎo)熱性差，固加熱速度不宜過(guò)快。嚴(yán)格控制模具淬火溫度，防止出現(xiàn)氧化和脫碳，采用裝箱保護(hù)處理（箱內(nèi)填充防脫碳和氧化的填充物），可以有效的防止氧化和脫碳。

3.5 表面強(qiáng)化技術(shù)

侯艷麗[5]等提出表面強(qiáng)化技術(shù)是通過(guò)改變模具表面成分、鍍層及組織來(lái)提高模具的耐磨性、耐熱性、硬度、疲勞強(qiáng)度等機(jī)械性能。表面強(qiáng)化技術(shù)有熱噴涂法、氣相沉積、等離子體熱處理、熔鹽浸鍍法等，這些技術(shù)已經(jīng)日趨成熟并廣泛應(yīng)用。熱噴涂法將噴涂材料加熱至熔化，用高壓氣流將其霧化，然后噴涂到模具的表面，能高有效的改善模具表面的性能。氣相沉積是將具有特殊性能的穩(wěn)定化合物直接沉積于金屬模具表面，這些化合物形成一層超硬覆蓋膜，使模具具有高硬度、抗腐蝕、耐磨性等特性。等離子體熱處理中發(fā)展最快，應(yīng)用最廣的是等離子體化學(xué)熱處理，有離子滲碳、離子滲氮、離子碳-氮共滲、離子滲硼等。熔鹽浸鍍法在模具中應(yīng)用最廣泛的是在模具表面滲釩，所形成的V-C薄膜，能夠顯著的提高模具表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和抗粘著性。

3.6 模具維護(hù)與管理

在模具的使用過(guò)程中，正常的操作以及合理的維護(hù)，減少違規(guī)操作，可以提高模具的壽命。比如潤(rùn)滑工件與模具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面，可降低工件和模具的摩擦系數(shù)，減小摩擦力，降低成形力。另外，潤(rùn)滑劑還能在一定程度上起到冷卻的作用，減少了坯料向模具傳熱量,降低模具溫度，這對(duì)提高模具的可靠性都是有利的。例如模鍛時(shí)潤(rùn)滑模膛，拉深中潤(rùn)滑凹模與毛坯接觸面，都有利于成形和提高模具壽命。在模具的制造和使用過(guò)程中，模具的管理是指要嚴(yán)格按照工藝規(guī)程運(yùn)作，而模具在生產(chǎn)作業(yè)中的管理則指在安裝、調(diào)試、拆卸、運(yùn)行保管模具時(shí)要遵守相關(guān)操作規(guī)程,避免因?yàn)槿藶橐蛩囟鴰?lái)模具的損傷。

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)模具是汽車(chē)工業(yè)的基礎(chǔ)工藝設(shè)備，在汽車(chē)工業(yè)中扮演著重要的角色。模具的工況比較惡劣，磨損、疲勞破壞、塑性變形和斷裂等造成模具失效因素，會(huì)導(dǎo)致模具可靠性下降。本文從模具材料、模具設(shè)計(jì)、模具加工、熱處理和表面強(qiáng)化技術(shù)和模具維護(hù)與管理幾個(gè)方面提出了提高模具可靠性的具體方法，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，模具失效往往不局限為一種模式，因此要針對(duì)模具失效形式和機(jī)理，進(jìn)行全面的分析和預(yù)防，有效的提高模具可靠性，促進(jìn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

[1] 李志剛.國(guó)內(nèi)外汽車(chē)模具技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].技術(shù)前沿,2011,(16):12-15.

[2] 許勝利,苗高蕾.冷擠壓模具失效分析與提高模具壽命途徑[J].模具,2011,(3):71-73.

[3] 張?jiān)?模具失效因素淺析[J].桂林航天工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào),2005(4)，22-24.

[4] 楊宗田.模具失效的原因及預(yù)防措施[J].模具制造,2004(6):57-58.

[5] 侯艷麗,等.增進(jìn)模具可靠性的表面強(qiáng)化技術(shù)[J].電鍍與涂飾,2009(3):70-72.

Method of improving the reliability of the auto mould

Starting from the basis of technology and equipment of the automotive industry, this paper analyzes the automotive mold law of failure and mechanism ,and introduces the methods of improving the reliability of automotive mold from mold materials、mold design、mold machining、heat treatment and surface enhancing techniques.

Automotive mold；Failure；Reliability

TG76

A

1008-1151(2012)06-0142-02

2012-04-17

鄭瀅瀅（1975－），女，浙江溫州人，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系工程師，從事模具和車(chē)身的教學(xué)、設(shè)計(jì)、科研方面工作。