淺談熱鍛模具失效的預(yù)防

肖德恒　曹磊

【摘 要】本文針對鍛模的幾種主要失效形式，從模具材料、模具設(shè)計、模具制造和模具使用等幾個方面提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，以改善模具制造質(zhì)量和提高模具的使用壽命。

【關(guān)鍵詞】模具；失效；預(yù)防措施

0.引言

模鍛是實現(xiàn)模鍛工藝的重要手段，在鍛造生產(chǎn)中占有十分重要的地位。其中模具的費用占模鍛生產(chǎn)成本的比例達到15%～20%，因此模具的使用壽命一直受到鍛造行業(yè)的高度重視。針對模具失效報廢的各種原因，提前采取相應(yīng)的預(yù)防措施，可以有效的延長模具的使用壽命，從而降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。

1.熱鍛模具失效的幾種形式

熱鍛模具的失效是指模具出現(xiàn)了不能通過修復(fù)手段來恢復(fù)其使用功能的損傷，也就是通常我們所說的模具損壞或報廢。鍛模失效的主要形式包括：磨損、塑性變形、熱疲勞裂紋、斷裂。

1.1磨損

磨損是模具在使用過程中，模膛表面與金屬坯料接觸產(chǎn)生相對運動，模膛表面金屬逐漸被磨蝕的現(xiàn)象。一般表現(xiàn)為刃口鈍化、棱角變圓、平面下陷、表面溝痕等。

1.2塑性變形

塑性變形是指模膛與金屬坯料接觸時，某些部位因溫度急劇升高而軟化或模膛本身強度不足，在較高的應(yīng)力作用下模具的幾何形狀或尺寸發(fā)生了改變，如模膛塌陷、擴展、凸臺和棱角倒塌以及凸模出現(xiàn)鐓粗、縱向彎曲等。

1.3熱疲勞裂紋

熱疲勞裂紋是指模膛表面在循環(huán)熱應(yīng)力的作用下產(chǎn)生循環(huán)的塑性應(yīng)變，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)，導(dǎo)致表面產(chǎn)生的許多細小裂紋。

1.4斷裂

斷裂指模具受到?jīng)_擊載荷時，當(dāng)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過材料的強度極限時，從應(yīng)力集中處發(fā)生開裂。斷裂一般分為脆性斷裂和疲勞斷裂。

2.熱鍛模具失效的預(yù)防措施

2.1模具材料方面

模具材料，是構(gòu)成模具的基礎(chǔ)，對模具的壽命有著最直接的影響。因此，模具設(shè)計的首要任務(wù)是正確選用并合理使用模具材料，以保證模具的正常使用壽命。模具選材一般需要滿足三個條件：滿足耐磨性，強韌性等工作需求，滿足工藝要求，滿足經(jīng)濟適用性。熱作模具鋼除應(yīng)具有高的強度，硬度，耐磨性和沖擊韌性外，還應(yīng)具有良好的高溫強度，熱疲勞性能和淬透性。

2.2模具設(shè)計方面

模具設(shè)計因素主要包括模塊尺寸、分模面、拔模斜度、圓角半徑、飛邊槽等。

模塊尺寸根據(jù)模膛尺寸而定，模塊要有足夠的壁厚以保證強度和吸收沖擊能量；模塊厚度根據(jù)模膛深度而定，厚度可取高一些以便于模具受損后進行修復(fù)。

分模面一般應(yīng)與鍛件的最大輪庫相重合，較深的模槽在上模內(nèi)，這有利于坯料定位和氧化皮的清除，上下模的壽命趨于相同，有利于提高鍛模壽命。

拔模斜度選擇要適當(dāng)，拔模斜度小，底部圓角處應(yīng)力增大，出模困難，鍛件在模膛內(nèi)停留時間較長會使模具過熱，容易引起鍛模塌陷及開裂；拔模斜度過大，不利于金屬流動，鍛件加工余量增大，造成浪費。

模膛棱角處一般磨損比較嚴(yán)重，設(shè)計時適當(dāng)增大過渡圓角半徑R，可有效降低棱角處的磨損，在不影響切邊的情況下，分模面處圓角半徑可適當(dāng)取大些，有利于提高模具壽命。

飛邊槽的形式和尺寸對模具壽命有著直接影響，飛邊太厚，浪費原材料，飛邊太薄，則會加重鍛模的負(fù)載，增加打擊次數(shù)，使模具壽命降低，如何正確選擇還需我們不斷在生產(chǎn)實踐中去驗證。

2.3模具制造方面

一般鍛模制造工藝流程為：下料、鍛造—球化退火處理—機械加工—淬火、回火處理—精加工—表面處理。

沒有進行進一步鍛造的模具原材料，其內(nèi)部組織中碳化物沿晶界呈網(wǎng)狀分布，如果直接制成模具，使用過程中裂紋容易沿晶界萌生并擴張，使模具的承載能力降低，最終導(dǎo)致模具的早期斷裂失效。通過鍛造和球化退火處理后的模具毛坯，其內(nèi)部碳化物得到細化，且呈均勻彌散分布，內(nèi)部組織得到改善，可避免后續(xù)淬火熱處理產(chǎn)生局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂。

模具的模膛要有較高的光潔度，尤其是圓角等應(yīng)力集中處更要光潔、平滑，不可以有加工刀痕、磨痕，更不能有棱或溝。模膛表面進行拋光，提高模膛的表面光潔度，可以有效將低模膛表面的磨損。但是模膛表面進行磨削加工時，如果磨削速度過大，砂輪粒度過細或冷卻條件差，會導(dǎo)致磨削表面過熱引起表面軟化，硬度降低，反而容易磨損。所以加工時應(yīng)采用切削力強的粗砂輪或粘結(jié)性差的砂輪，減少進給量，選用合適的冷卻劑，這樣可有效避免模膛表面軟化。

模具經(jīng)電火花加工后容易在表面形成凝固層和熱影響層，降低模具表面的硬度，抗疲勞能力下降。因此熱處理后一般最好不再進行電火花加工，以避免電火花加工對模具表面損傷而影響模具壽命。

鍛模的熱處理是非常重要的一道工序。熱處理加熱溫度的高低、保溫時間的長短、冷卻速度的快慢和爐內(nèi)氣氛等工藝參數(shù)的選擇不當(dāng)，都會造成模具淬火開裂或早期失效。模具在熱處理過程中應(yīng)保證加熱均勻，冷卻均勻，并應(yīng)防止模具表面產(chǎn)生氧化和脫碳，淬火后應(yīng)及時、充分回火，以提高模具硬度的均勻性，從而獲得良好的耐磨性和較高的疲勞抗性能。

模具淬火、回火后進行拋光處理，可消除模具加工產(chǎn)生的表面缺陷；采用離子氮化可提高模具抗疲勞性能和耐磨性。

2.4模具使用方面

鍛模的使用要配有噸位合適的設(shè)備。設(shè)備噸位過小，影響鍛件成型質(zhì)量；噸位過大，則容易打擊過重造成鍛模開裂甚至破碎。鍛模的安裝也很是非常重要的，模具安裝必須牢固、可靠和位置精確。模具的溫度在200攝氏度以下時，沖擊韌性差，易發(fā)生斷裂。因此模具使用前要進行預(yù)熱，特別是冬季，使用前更要進行充分預(yù)熱。

毛坯溫度過低或由于加熱不均勻而使局部溫度過低時，金屬的變形抗力高，單位壓力大，摩擦力大，磨損嚴(yán)重。氧化皮對磨損影響也很大，最好進行無氧化加熱或少氧化加熱，鍛造過程中產(chǎn)生的氧化皮可用高壓氣體吹出模膛。連續(xù)生產(chǎn)時應(yīng)該對模具進行冷卻，以防鍛模溫度過高，但為了防止熱裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)避免急熱或急冷。使用潤滑劑，可有效防止模具的磨損，減輕變形力及冷卻模具。錘上鍛造時，打擊次數(shù)不能過多，盡可能以高的速度，少的打擊次數(shù)成形。

模具使用后對出現(xiàn)的損傷及應(yīng)時進行修復(fù)，模膛的輕微損傷如：刮痕、微裂紋、輕微變形等可通過機加工或噴砂研磨去除，對于較嚴(yán)重的裂紋或磨損可以選擇堆焊修復(fù)的方法。

3.結(jié)束語

引起鍛模失效的原因很復(fù)雜，而且各種原因相互影響，需要我們對各種失效原因進行更加科學(xué)和深入的研究，認(rèn)真學(xué)習(xí)國內(nèi)外同行業(yè)的先進技術(shù)，研發(fā)新材料、優(yōu)化模具設(shè)計、采用更先進的制造方法和生產(chǎn)工藝，才能更有效的預(yù)防模具的失效，提高模具的使用壽命。

【參考文獻】

[1]曾珊琪，丁毅.模具壽命與失效.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.