關(guān)于提高沖壓模具壽命的方法探尋

方長敏

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

模具壽命是模具質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。它對工業(yè)生產(chǎn)的影響，主要包括兩個(gè)方面：一是對產(chǎn)品生產(chǎn)率的影響，二是對產(chǎn)品成本的影響。我國有模具生產(chǎn)廠家約2 萬余家，模具總產(chǎn)值超過500 億元人民幣。采取措施，提高模具質(zhì)量，延長模具使用壽命，使模具達(dá)到最佳使用壽命無疑有著十分重要的意義。模具壽命的高低在一定程度上反映一個(gè)地區(qū)、一個(gè)國家的冶金工業(yè)、機(jī)械制造工業(yè)水平。

一、模具壽命、模具與工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系

（一）模具壽命

模具正常失效前，生產(chǎn)出的合格產(chǎn)品的數(shù)目，稱為模具正常壽命，簡稱模具壽命，模具首次修復(fù)前生產(chǎn)出的合格產(chǎn)品的數(shù)目，稱為首次壽命；模具一次修復(fù)后到下一次修復(fù)前所生產(chǎn)出的合格產(chǎn)品的數(shù)目，稱為修模壽命。模具壽命是首次壽命與各次修復(fù)壽命的總和。

（二）模具壽命與工業(yè)生產(chǎn)的相互關(guān)系

1、模具壽命與生產(chǎn)率的關(guān)系。從模具壽命的定義可知，模具壽命的大小取決于模具所能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的數(shù)量，生產(chǎn)率則表示模具在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的數(shù)量。兩者之間有著必然的聯(lián)系。

模具壽命與生產(chǎn)率的關(guān)系曲線，如圖1 所示。

圖1 模具壽命與生產(chǎn)率的關(guān)系

由圖可見，模具壽命S 越長，生產(chǎn)率Q 越高。

當(dāng)產(chǎn)品批量n＞模具壽命S 時(shí)，生產(chǎn)中多數(shù)是一套模具完全失效后再換新模具，若不計(jì)模具設(shè)計(jì)時(shí)間（用T1 表示）和模具加工時(shí)間（用T2 表示），則模具壽命S 與生產(chǎn)率Q 之間的關(guān)系可用經(jīng)驗(yàn)公式表示為:Q＝S／〔T3＋∑T4＋S／(60N)〕

式中:N 為設(shè)備的工作節(jié)奏；T3 為模具安裝、調(diào)試時(shí)間；T4 為模具修復(fù)及維護(hù)時(shí)間。

從關(guān)系式可以看出：減少模具的安裝、調(diào)試時(shí)間和模具修復(fù)及維護(hù)時(shí)間，提高模具的使用壽命，都能起到提高模具生產(chǎn)率的作用；并且設(shè)備的工作節(jié)奏越快,模具壽命對生產(chǎn)率的影響就越大。

2、模具壽命與產(chǎn)品成本的關(guān)系。模具壽命與產(chǎn)品成本的關(guān)系曲線，如圖2 所示。

圖2 模具壽命與產(chǎn)品成本的關(guān)系

由圖可見：產(chǎn)品成本V 隨著模具壽命S的增加而下降。

模具壽命與產(chǎn)品成本之間的關(guān)系可用經(jīng)驗(yàn)公式表示為：

V＝A﹢（M﹢B）/S＝A﹢（Mc﹢Mz﹢Mx﹢B）/S

式中：A 為與模具壽命無關(guān)的單件產(chǎn)品成本之和；M 為模具費(fèi)（模具材料費(fèi)Mc、模具制造費(fèi)Mz 和模具修理費(fèi)Mx 之和）；B 為模具工費(fèi)。從關(guān)系式也可以看出：模具壽命越高，各項(xiàng)費(fèi)用越低，則產(chǎn)品成本越低。

目前我國模鍛件、沖壓件的模具費(fèi)用占產(chǎn)品成本的10%-30%，小批量沖壓件模具費(fèi)用占產(chǎn)品成本的30%-50%。另一方面，目前我國模具行業(yè)是微利行業(yè)，模具價(jià)格偏低，如果提高模具價(jià)格，會進(jìn)一步增大模具費(fèi)在產(chǎn)品成本中的比例。因此有效的提高模具壽命，就可以降低產(chǎn)品成本。

二、影響沖壓模具壽命的因素

為了提高沖壓模具的壽命，必須對已失效的模具進(jìn)行分析，了解和掌握失效的原因和影響沖壓模具壽命的主要因素。

（一）模具材料的影響

1、模具材料的影響。各種模具材料的硬度、耐磨性、耐腐蝕性、塑性變形抗力、斷裂抗力、冷熱疲勞抗力等性能均有所不同，材料的性能必須滿足模具的具體使用要求，否則將導(dǎo)致模具的早期失效。如沖壓模具工作在循環(huán)載荷下時(shí)，使用疲勞抗力差的材料將會萌生疲勞裂紋，裂紋的不斷擴(kuò)展將引起模具的斷裂失效。

2、模具鋼材冶金質(zhì)量的影響。目前生產(chǎn)中，沖壓模具材料以模具鋼為主，若鋼中含有強(qiáng)度低、塑性差的非金屬夾雜物，則容易形成裂紋源，引起模具早期斷裂失效。當(dāng)鋼中的碳化物過多，形成網(wǎng)狀、大塊狀或帶狀偏析時(shí)，將嚴(yán)重降低鋼的沖擊韌度及斷裂抗力，引起模具的早期斷裂、崩塊及開裂等。鋼材中存在中心疏松和白點(diǎn)，會降低模具的抗壓強(qiáng)度，使模具淬火開裂及工作表面凹陷。

（二）模具結(jié)構(gòu)的影響

1、模具幾何形狀的影響。模具的幾何形狀對成形過程中坯料的流動和成形力產(chǎn)生很大的影響，從而影響模具的壽命。

2、模具間隙的影響。模具的凸凹模工作間隙不僅影響工件的質(zhì)量，還影響模具的壽命。例如拉深模的間隙過小將增加摩擦阻力，易擦傷工件表面，并增大了模具的磨損。沖裁模的間隙過小會加劇凸凹模的磨損，降低模具的使用壽命。

3、結(jié)構(gòu)形式的影響。模具的結(jié)構(gòu)形式不合理將導(dǎo)致應(yīng)力集中而斷裂失效。

（三）模具制造工藝的影響

1、鍛造工藝的影響。如果鍛造工藝不合理，會降低鋼材的性能，造成鍛造缺陷，形成導(dǎo)致模具早期失效的隱患。常見的鍛件表面缺陷有裂紋、折疊、凹坑等，內(nèi)部缺陷有組織偏析、流線分布不合理、疏松、過熱、過燒等。

2、加工工藝的影響。切削加工時(shí)沒有徹底去除材料表面脫碳層，將會降低模具的表面硬度，加劇了模具磨裂及淬裂的傾向。切削的表面粗糙、尺寸連接處不光滑，或留有尖角和加工刀痕，將萌生疲勞裂紋，造成模具疲勞失效。磨削加工時(shí)進(jìn)給量過大、冷卻不足則容易產(chǎn)生磨削裂紋和磨削燒傷，減低模具的疲勞強(qiáng)度和斷裂抗力。電火花成形及線切割加工，會使模具表面產(chǎn)生拉應(yīng)力和顯微裂紋，導(dǎo)致表面剝落和早期開裂。若材料淬火后的內(nèi)應(yīng)力很高，電火花加工時(shí)應(yīng)力會重新分布，引起模具變形或開裂。

3、熱處理工藝的影響。模具淬火加熱時(shí)溫度過高，容易造成模具的過熱、過燒，沖擊韌度下降，導(dǎo)致早期斷裂。如果淬火溫度過低，會降低模具的硬度、耐磨性及疲勞抗力，容易造成模具的塑性變形、磨損失效。淬火加熱時(shí)如果不注意采取保護(hù)措施，會使模具表面氧化和脫碳，脫碳將造成淬火軟點(diǎn)或軟區(qū)，降低模具的耐磨性、疲勞強(qiáng)度和抗咬合能力，影響其使用壽命。淬火冷卻速度過快或油溫過低，模具容易產(chǎn)生淬火裂紋。如果回火溫度太低，而且不夠充分，將無法消除淬火過程中的殘余應(yīng)力使模具的韌性降低，容易發(fā)生早期斷裂。

4、模具工作條件和使用維護(hù)的影響

（1）被加工材料的影響

被加工材質(zhì)的不同、厚度的不同對模具壽命有很大的影響。被加工材料的強(qiáng)度越高、厚度越大，模具承受的力也越大，模具的壽命相對較低。若被加工材質(zhì)與模具材料的親和力大，在沖壓成形過程中會和模具發(fā)生粘附磨損，降低模具的壽命。被加工材料的表面狀態(tài)，對模具的磨損也有很大的影響。采用表面沒有氧化黑皮、脫碳層，僅有極薄的氧化膜或磷化膜的坯料，對模具沖壓最為有利。

（2）沖壓設(shè)備特性的影響

沖壓設(shè)備的剛度和精度對模具的壽命影響極大。開式壓力機(jī)為C 型框架，剛度較差。在沖壓力的作用下易產(chǎn)生變形，造成上、下模中心線不重合，模具工作間隙不均，甚至啃刃、崩刃。此外，沖裁過程結(jié)束的瞬間，載荷急速銳減，壓力機(jī)在沖壓過程中積聚的變形能量突然釋放，造成上、下模間的沖擊振動，即所謂“失重插入”現(xiàn)象，這也加劇了模具的磨損。因此，精密沖裁或使用硬質(zhì)合金沖裁模具時(shí)，最好采用剛度較好，精度高的閉式壓力機(jī)。

（3）潤滑條件的影響

良好的潤滑條件可以有效降低摩擦力、摩擦熱和沖壓力，減少模具的磨損，顯著提高模具的使用壽命。

三、提高沖壓模具壽命的幾種方法

（一）合理設(shè)計(jì)。在保證沖裁工件質(zhì)量的前提下，沖裁模具應(yīng)盡可能選用較大的沖裁間隙，以降低沖裁力，減小模具的磨損。為了提高凸模的剛度，加強(qiáng)其抗偏載能力，以防止工作時(shí)凸模彎曲變形或折斷。一般凸模頭部截面積和尾柄部截面積大約分別取為工作端面面積的2 倍和4 倍，必要時(shí)對凸模進(jìn)行導(dǎo)向保護(hù)?？梢圆捎脧椥孕读习?，對板料施加一定的壓邊力，以減少因板料滑移或翹曲對凸模的作用力。為確保沖壓過程中沖裁間隙均勻，避免啃刃和刃口的不均勻磨損，可選用精確的模具導(dǎo)向裝置，例如使用滾珠導(dǎo)柱導(dǎo)套。在制造加工過程中，必須嚴(yán)格保證模具的尺寸形狀精度，避免留下機(jī)加工刀痕；過渡部分要平滑，不能有微小缺陷，防止使用過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中裂紋。電加工及磨削加工后應(yīng)進(jìn)行回火，以消除加工應(yīng)力。

（二）正確選材。當(dāng)沖裁模的生產(chǎn)批量很大時(shí)，應(yīng)選擇強(qiáng)度高、韌性好、耐磨性好的高性能模具材料。由于凸模的工作條件比凹模更差，凸模材料的耐磨性可以選得比凹模材料更高。模具用鋼要有較高的純度，硫、磷含量要嚴(yán)格控制。一般鋼材含碳量在0.8～0.9%韌性較好，含碳量在0.95～1.05%為硬韌，含碳量在1.05～1.15%為硬性，大型模具含碳量取下限，小型模具取上限。

（三）采用模具強(qiáng)韌化處理和表面強(qiáng)化處理。采用強(qiáng)韌化處理和表面強(qiáng)化處理技術(shù)，使模具獲得優(yōu)良的整體強(qiáng)韌性能和優(yōu)異的表面硬度、耐磨性和抗粘附性能，是提高各類模具使用壽命的有效途徑。

（四）合理使用維護(hù)。沖裁模操作時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制凸模進(jìn)入凹模的深度，以免磨損加劇。沖模使用了一段時(shí)間后，凸、凹模刃口將不可避免地出現(xiàn)磨損和磨損溝痕。這時(shí)候提前修模，可以減小摩擦力、預(yù)防磨損溝痕導(dǎo)致的裂紋，避免因磨損后凸、凹模間隙不均產(chǎn)生的附加彎矩，提高模具的壽命。

[1]李云程主編.模具制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]黃毅宏主編.模具制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

[3]鄭智受主編.鋅合金沖壓模具[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社,1983.