溫?cái)D壓模具壽命影響因素分析及改進(jìn)措施

徐勝利，周娟利，李春玲，王仙萌

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

0 引言

溫?cái)D壓成形技術(shù)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快的一種少無(wú)切削精密塑性成形工藝方法。它與冷、熱擠壓不同，擠壓前對(duì)毛坯進(jìn)行加熱，但其加熱溫度介于室溫與完全內(nèi)結(jié)晶溫度（黑色金屬200～850℃，有色金屬室溫～350℃）之間。塑性變形后存在加工硬化現(xiàn)象。溫?cái)D成形零件強(qiáng)度高、剛性好、重量輕，精度和表面粗糙度近于機(jī)械加工。節(jié)省材料，節(jié)約能源，生產(chǎn)效率高，環(huán)境污染小。適用于形狀復(fù)雜、非對(duì)稱(chēng)異形件室溫成形時(shí)變形抗力大、塑性差、加工硬化劇烈又難于成形的高強(qiáng)度合金、不銹鋼、有色金屬等材料塑性加工。

溫?cái)D成形零件包括齒輪、閥體、活塞、軸承套圈、殼體、萬(wàn)向節(jié)頭、緊固件等。如3Cr13液壓機(jī)閥瓣，電機(jī)磁體；20Cr圓柱齒輪等零件溫?cái)D成形已取得成功。溫?cái)D壓模具是保證溫?cái)D壓件質(zhì)量的重要工藝裝備，模具工作零件早期失效，嚴(yán)重影響溫?cái)D壓工藝優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮和產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的提高。因此，探討提高溫?cái)D壓模具壽命對(duì)降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益意義重大。

1 溫?cái)D壓模具服役條件和失效分析

在溫?cái)D壓成形過(guò)程中，毛坯溫度范圍通常為300～850℃，擠壓壓力為2000～2500MPa。連續(xù)工作條件下，模具溫度可達(dá)300～500℃甚至更高。雖然溫?cái)D壓比熱擠壓（950～1200℃）溫度低，壓力比冷擠壓壓力小（僅為冷擠壓力的1/2～2/3），但模具在高壓、高溫、劇烈摩擦作用下，模具內(nèi)部的高壓應(yīng)力導(dǎo)致非對(duì)稱(chēng)交變載荷產(chǎn)生，表面溫度升高產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，從而造成模具型腔壁出現(xiàn)麻點(diǎn)、局部塌陷等缺陷。工作循環(huán)金屬劇烈流動(dòng)和摩擦熱產(chǎn)生熱效應(yīng)使模具溫度急劇變化引發(fā)疲勞裂紋產(chǎn)生破壞。工作過(guò)程加載速度（過(guò)低或過(guò)高）致使模具表面軟化或微塑性變形乃至開(kāi)裂失效。溫?cái)D壓時(shí)潤(rùn)滑效果不良所產(chǎn)生的磨損則使模具表面出現(xiàn)劃傷、粘結(jié)、壓坑、尺寸超差等缺陷。

2 影響溫?cái)D壓模具壽命因素分析及提高模具壽命措施

2.1 模具材料

溫?cái)D壓模具工作循環(huán)過(guò)程中，由于受到高溫、高壓和交變載荷作用，要求模具鋼應(yīng)具有強(qiáng)度、硬度高，韌性、耐磨性和紅硬性好等優(yōu)良的綜合性能。如溫?cái)D壓軸承圈用模具，工作過(guò)程經(jīng)受高溫、高壓和油噴霧潤(rùn)滑循環(huán)作用，工作條件惡劣，要求模具高溫下強(qiáng)度、韌性、耐磨性、抗回火穩(wěn)定性和耐冷熱疲勞性能良好。選用3Cr2W8V鋼，熱處理硬度50～52HRC時(shí)，僅擠壓800件產(chǎn)品模具就出現(xiàn)裂紋。究其原因?yàn)樵撚捕认缕渌苄院晚g性差。將模具硬度降至46～48HRC，韌性提高，但硬度下降又使模具發(fā)生強(qiáng)烈磨損和微塑性變形，擠壓1500件時(shí)模具又因塑性變形而失效。改用3Cr3Mo3W2V鋼，鍛造后，正火預(yù)處理+球化退火+淬火（1060～1130℃）+回火（620～650℃×2h二次）獲得硬度48～51HRC，使用壽命達(dá)4000件以上，且失效形式為疲勞斷裂。又如溫?cái)D壓破碎機(jī)軸頭，選用3Cr2W8V鋼，熱處理硬度48～50HRC，擠壓1360件，模具因磨損和微塑性變形而失效。改用4Cr5MoSiV鋼，工作溫度在400～500℃時(shí)，具有較高熱強(qiáng)度和韌性，且耐磨性、熱疲勞性均較好，在52～55HRC硬度下使用，模具壽命提高3倍以上。

模具材料應(yīng)選擇高溫下耐磨性、紅硬性及沖擊韌度高，熱膨脹率小，模具溫升后屈服強(qiáng)度應(yīng)高于擠壓時(shí)作用在凸、凹模上的單位擠壓力。①低溫（200～400℃）擠壓時(shí)，選用 3Cr3Mo3W2V、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等材料，可獲得滿意的效果。②中溫（400～500℃）擠壓時(shí)，可選用 4Cr5MoSiV、4Cr5W2SiV、5CrNiMo等材料，此類(lèi)鋼由于含鉻量較高，淬透性好，淬火硬度高，具有良好的強(qiáng)韌性和較高的抗疲勞性，適用于急冷急熱工作條件。③高溫（500℃以上）擠壓時(shí)，宜選用基體鋼，如5Cr4Mo3SiMnVAl、6Cr4Mo3Ni2WV、3Cr3Mo3W2V、9Cr6W3Mo2V2 等材料，此類(lèi)鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性，其耐熱性、韌性均高于鉻系鋼，近似于鎢系鋼。

2.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 原模具結(jié)構(gòu)

圖2 改進(jìn)后模具結(jié)構(gòu)

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響溫?cái)D壓模具壽命的主要因素之一。結(jié)構(gòu)上有缺陷的模具，為模具早期失效埋下了隱患，如型腔形狀不對(duì)稱(chēng)造成凸模的偏心載荷，孔的位置不當(dāng)造成壁厚不均勻，工作斷面急劇變化，型腔出現(xiàn)凹凸或窄縫，出現(xiàn)尖角或圓角過(guò)小等。

在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮模具結(jié)構(gòu)盡可能有利于金屬流動(dòng)，模具各部位受力均勻，充分考慮型腔斷面形狀，工作部分應(yīng)光滑連接，盡可能避免尖角、窄縫造成的應(yīng)力集中源，防止熱處理和擠壓過(guò)程開(kāi)裂現(xiàn)象。對(duì)型腔中有凸臺(tái)、懸臂的結(jié)構(gòu)，在滿足擠壓件使用要求前提下，截面大一些，懸臂短一些，當(dāng)模具型腔壁厚為型腔深度1～1.5倍時(shí)，易損部分應(yīng)采用組合式結(jié)構(gòu)。如圖1所示，凹模設(shè)計(jì)成整體式，直徑過(guò)渡存在無(wú)圓角過(guò)渡，產(chǎn)生應(yīng)力集中引起開(kāi)裂。改進(jìn)后采用如圖2a、b所示組合式結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力集中處把模塊分割開(kāi)，避免了應(yīng)力集中和裂紋產(chǎn)生。

從凸模結(jié)構(gòu)和工作循環(huán)分析知，凸模的彎曲應(yīng)力是由于凸模頭部受到側(cè)向力作用的結(jié)果，其來(lái)源主要有如下幾方面：①模架中心與壓力機(jī)中心不重合；或模具結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，使壓力機(jī)臺(tái)面和模板產(chǎn)生彈性壓縮變形。②凸凹模緊固不牢靠，在側(cè)向力作用下，模具發(fā)生“移動(dòng)”使凸模中心錯(cuò)開(kāi)。③模具制造、安裝誤差或壓力機(jī)靜態(tài)精度不好，模具安裝后，凸模中心線相對(duì)于凹模中心線發(fā)生偏斜，工作時(shí)，凸模就會(huì)受到側(cè)向力作用。

凸模在這些側(cè)向力作用下，會(huì)發(fā)生彈性彎曲，在凸模彎矩最大處，彎曲應(yīng)力最高。

式中：Mmax——凸模最大彎矩，產(chǎn)生在凸模根部；

W——凸?？箯澖孛婺Ａ?。

前述分析可知，側(cè)向力的來(lái)源很多，它們之間又有復(fù)雜的交互作用。因此，σ彎很難用精確計(jì)算求得，而且σ彎還與應(yīng)力集中有關(guān)，所以，模具材料、加工方法和工作狀況及凸模形狀都會(huì)影響σ彎的大小。分析試驗(yàn)表明，凸模的σ彎與擠壓件的偏心量e正成比。因此，可以用擠壓件偏心量e來(lái)反映σ彎的大小。而偏心量就等于壁厚差之半。顯然，測(cè)量工件壁厚差比測(cè)量彎曲應(yīng)力σ彎簡(jiǎn)單多了。

設(shè)擠壓件壁厚差為δ，由模具壽命N與彎曲應(yīng)力關(guān)系式（σ彎1/N∝σ彎m）可得：

即說(shuō)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，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。

2.3 表面強(qiáng)韌化處理

溫?cái)D壓模具壽命與表面強(qiáng)韌化處理有很大關(guān)系，熱處理過(guò)程中若淬火溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大，淬火后出現(xiàn)粗針狀馬氏體，熱處理內(nèi)應(yīng)力增大，脆性增加，工作循環(huán)中容易開(kāi)裂、凸模折斷。若淬火溫度過(guò)低，碳化物溶解不充分，鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性降低，模具硬度低，服役中易造成模具磨損、變形、塌陷等缺陷而失效。

因此，采用合理的強(qiáng)韌化處理和表面強(qiáng)化處理，使模具獲得良好的整體強(qiáng)韌性和高的表面硬度、耐磨性和抗粘模性能，有效提高模具使用壽命。如：擠壓支承釘用Cr4W2MoV鋼制溫?cái)D壓凹模，采用低溫（960～990℃）淬火+低溫（200～300℃）回火工藝，獲得針狀馬氏體+碳化物+約10%殘余奧氏體，晶粒度10～12級(jí)，硬度60～62HRC，模具壽命較低，失效形式為龜裂和脆斷。改進(jìn)后采用復(fù)合強(qiáng)韌化處理工藝：形變余熱正火處理（960℃、保溫 1.5h）+等溫球化退火（900℃、保溫5h）+高溫淬火（1000～1050℃、油冷）+高溫回火（560～580℃、1.5h）+S-C-N三元共滲工藝進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)韌化處理后，基體強(qiáng)韌性好，表面耐磨性和抗疲勞性?xún)?yōu)良，模具壽命提高2～3倍，達(dá)到3200件以上。又如擠壓鋼鉗用3Cr2W8V鋼制溫?cái)D壓模具，采用常規(guī)熱處理工藝，模具失效形式為磨損和側(cè)變形。改進(jìn)后采用1100℃加熱保溫出爐預(yù)冷2～3min，再放入50%K2NO3+50%Na2NO3鹽浴中，390℃保溫0.5h出爐空冷至室溫的等溫淬火加560℃×2h回火兩次，工作表面硬度為HRC50，耐熱疲勞及耐磨性明顯提高，模具壽命從1200件提高到3500件以上。

2.4 減摩和潤(rùn)滑方法

溫?cái)D壓過(guò)程產(chǎn)生摩擦是不可避免的物理現(xiàn)象，工作循環(huán)中若不能有效隔離模具表面與被擠壓金屬，流動(dòng)的金屬與模具表面強(qiáng)烈的摩擦使模具表面發(fā)生磨粒磨損或粘著磨損，其結(jié)果是模具工作面劃傷、壓坑、粘結(jié)、剝塊。導(dǎo)致模具表面產(chǎn)生裂紋，擠壓件尺寸超差，表面質(zhì)量下降，最終使模具無(wú)法投入使用。

為減少模具表面與坯料直接接觸，在模具或毛坯表面侵潤(rùn)刷涂潤(rùn)滑劑以減小摩擦，也可提高熱傳導(dǎo)性。毛坯加熱前浸涂還可減少氧化和脫碳。溫?cái)D實(shí)踐表明：采用氧化硼（B2O3）加石墨；氧化硼（B2O3）加二硫化鉬（MoS2）；石墨水劑或油劑、石墨加二硫化鉬加油酸；硅砂（SiO2）加氧化鋁（Al2O3）加硼酸（H3BO3）等潤(rùn)滑劑，溫?cái)D壓過(guò)程中取得良好的潤(rùn)滑效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

模具使用壽命是一個(gè)綜合性的技術(shù)問(wèn)題，隨著溫?cái)D壓技術(shù)的發(fā)展，影響溫?cái)D模具壽命的因素很多。經(jīng)過(guò)深入研究和探討，針對(duì)模具材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作零件強(qiáng)韌化處理、摩擦潤(rùn)滑等因素采取有效措施，溫?cái)D模具壽命將會(huì)得到很大提高。

[1]王德文，主編.提高模具壽命應(yīng)用技術(shù)實(shí)例.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

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